ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Изобретение относится к каскадному (последовательному) соединению нескольких фильтров.
ПРЕДПОСЫЛКИ СОЗДАНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
На телекоммуникационном рынке, особенно в области беспроводных систем связи 4G, а также в имеющихся системах беспроводной связи существует серьезная потребность в миниатюрных фильтрах с улучшенными характеристиками. Поскольку системы 4G должны обеспечивать очень высокую скорость передачи данных, то такие фильтры должны обеспечивать работу в гораздо более широком диапазоне частот по сравнению с фильтрами систем GSM, CDMA и UMTS. С другой стороны, ограниченные частотные ресурсы в системах 4G требуют, чтобы компании беспроводной связи устанавливали как можно более узкие защитные полосы частот для обеспечения максимальной производительности. Эти две указанные проблемы означают, что в системах 4G беспроводной связи требуются миниатюрные ВЧ-фильтры для беспроводных терминалов, которые не только обеспечивают широкую полосу пропускания или полосу задерживания, но также и узкие переходные полосы.
Благодаря их миниатюрным размерам и дешевизне ВЧ-фильтры на основе акустических материалов, такие как фильтры на поверхностных акустических волнах (SAW), тонкопленочные резонаторы на объемных акустических волнах (FBAR) и/или фильтры на объемных акустических волнах (BAW) широко используются в компактных и портативных терминалах различных систем беспроводной связи. Однако существующий уровень характеристик таких фильтров все еще далек от требований, предъявляемых к системам 4G беспроводной связи.
Могут быть разработаны фильтры других типов, такие как резонаторные фильтры на основе металлов или диэлектрические фильтры, которые отвечают требованиям, предъявляемым вышеуказанными применениями, однако такие фильтры очень дороги и имеют большие размеры. В результате, резонаторные фильтры на основе металлов и диэлектрические фильтры не являются подходящим решением, особенно для применений в беспроводных терминалах, для которых размеры и вес имеют особенную важность.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
В настоящем изобретении предлагается фильтр, содержащий: по меньшей один первый фильтр, каждый из которых представляет собой полосно-заграждающий фильтр с первой группой параметров фильтра, которые определяются первым материалом, использованным для изготовления соответствующего первого фильтра, и по меньшей мере один второй фильтр, каждый из которых имеет вторую группу параметров фильтра, которые определяются вторым материалом, использованным для изготовления соответствующего второго фильтра, который представляет собой: полосно-заграждающий фильтр или полосно-пропускающий фильтр; причем по меньшей мере один первый фильтр и по меньшей мере один второй фильтр соединяют последовательно друг с другом; первый и второй материалы различаются; и фильтр характеризуется третьей группой параметров фильтра, которые определяются как первым, так и вторым материалами.
В некоторых вариантах каждый первый фильтр представляет собой узкополосный полосно-заграждающий фильтр с частотной характеристикой, имеющей по меньшей мере одну полосу задерживания, которая имеет более узкие переходные полосы по сравнению с переходными полосами каждого второго фильтра.
В некоторых вариантах первый материал имеет меньшую величину температурного коэффициента по сравнению со вторым материалом, так что каждый первый фильтр имеет меньший температурный дрейф частотной характеристики по сравнению с каждым вторым фильтром.
В некоторых вариантах каждый второй фильтр представляет собой: широкополосный полосно-пропускающий фильтр или широкополосный полосно-заграждающий фильтр.
В некоторых вариантах второй материал имеет более высокий коэффициент электромеханической связи по сравнению с первым материалом.
В некоторых вариантах каждый первый фильтр имеет: первую полосу задерживания, расположенную на стороне более низких частот полосы пропускания одного из вторых фильтров; или первую полосу задерживания, расположенную на стороне более низких частот полосы задерживания одного из вторых фильтров; или первую полосу задерживания, расположенную на стороне более высоких частот полосы пропускания одного из вторых фильтров; или первую полосу задерживания, расположенную на стороне более высоких частот полосы задерживания одного из вторых фильтров; или две полосы задерживания, первая из которых расположена на стороне более низких частот полосы пропускания одного из вторых фильтров, и вторая полоса задерживания расположена на стороне более высоких частот полосы пропускания одного из вторых фильтров; или две полосы задерживания, первая из которых расположена на стороне более низких частот полосы задерживания одного из вторых фильтров, и вторая полоса задерживания расположена на стороне более высоких частот полосы задерживания одного из вторых фильтров.
В некоторых вариантах каждый первый фильтр изготавливают с использованием: технологии поверхностных акустических волн (SAW); или технологии тонкопленочных резонаторов на объемных акустических волнах (FBAR); или технологии фильтров на объемных акустических волнах (BAW); и каждый второй фильтр изготавливают с использованием: технологии SAW; или технологии FBAR; или технологии фильтров BAW.
В некоторых вариантах первый материал содержит по меньшей мере один из следующих материалов: кварц, лангасит, SiO2/ZnO/Алмаз, SiO2/AlN/Алмаз, Li2B4O7, AlN/Li2B4O7, LiTaO3, LiNbO3, SiO2/LiTaO3, SiO2/LiNbO3, AlN и их сочетания.
В некоторых вариантах второй материал содержит по меньшей мере один из следующих материалов: кварц, лангасит, SiO2/ZnO/Алмаз, SiO2/AlN/Алмаз, Li2B4O7, AlN/Li2B4O7, LiTaO3, LiNbO3, SiO2/LiTaO3, SiO2/LiNbO3, ZnO, AlN и их сочетаний.
В некоторых вариантах один из первых фильтров и один из вторых фильтров соединяют последовательно в корпусе с использованием по меньшей мере одного из следующих средств соединения: перемычки, обеспечивающей непосредственное электрическое соединение первого и второго фильтров; или общей точки соединения внутри корпуса, с которой соединяют электрически первый и второй фильтры.
В некоторых вариантах фильтр содержит дополнительно: схемный согласующий элемент для согласования входа фильтра и/или выхода фильтра; и/или схемный согласующий элемент для согласования одного из первых фильтров; и/или схемный согласующий элемент для согласования одного из вторых фильтров; и/или схемный согласующий элемент для согласования точки фильтра, в которой один из первых фильтров и один из вторых фильтров соединяются последовательно друг с другом.
В настоящем изобретении также предлагается способ изготовления фильтра, включающий: каскадное соединение по меньшей одного первого фильтра, каждый из которых представляет собой полосно-заграждающий фильтр с первой группой параметров фильтра, которые определяются первым материалом, использованным для изготовления соответствующего первого фильтра, и по меньшей мере одного второго фильтра, каждый из которых имеет вторую группу параметров фильтра, которые определяются вторым материалом, использованным для изготовления соответствующего второго фильтра, который представляет собой: полосно-заграждающий фильтр или полосно-пропускающий фильтр; причем первый и второй материалы различаются; и фильтр характеризуется третьей группой параметров фильтра, которые определяются как первым, так и вторым материалами.
В некоторых вариантах каскадное соединение по меньшей мере одного первого фильтра и по меньшей мере одного второго фильтра включает: каскадное соединение одного из первых фильтров, который представляет собой узкополосный полосно-заграждающий фильтр с частотной характеристикой, содержащей по меньшей мере одну полосу задерживания с более узкими переходными полосами по сравнению с переходными полосами каждого из вторых фильтров, и одного из вторых фильтров.
В некоторых вариантах первый материал имеет меньшую величину температурного коэффициента по сравнению со вторым материалом, так что каждый первый фильтр имеет меньший температурный дрейф частотной характеристики по сравнению с каждым вторым фильтром.
В некоторых вариантах каскадное соединение по меньшей мере одного первого фильтра и по меньшей мере одного второго фильтра включает: каскадное соединение одного из первых фильтров и одного из вторых фильтров, причем второй фильтр представляет собой: широкополосный полосно-пропускающий фильтр или широкополосный полосно-заграждающий фильтр.
В некоторых вариантах второй материал имеет более высокий коэффициент электромеханической связи по сравнению с первым материалом.
В некоторых вариантах каскадное соединение по меньшей мере одного первого фильтра и по меньшей мере одного второго фильтра включает: каскадное соединение одного из первых фильтров, который изготавливают с использованием: технологии поверхностных акустических волн (SAW); или технологии тонкопленочных резонаторов на объемных акустических волнах (FBAR); или технологии фильтров на объемных акустических волнах (BAW); и второй фильтр изготавливают с использованием: технологии SAW; или технологии FBAR; или технологии фильтров BAW.
В некоторых вариантах каждый первый фильтр имеет: первую полосу задерживания, расположенную на стороне более низких частот полосы пропускания одного из вторых фильтров; или первую полосу задерживания, расположенную на стороне более низких частот полосы задерживания одного из вторых фильтров; или первую полосу задерживания, расположенную на стороне более высоких частот полосы пропускания одного из вторых фильтров; или первую полосу задерживания, расположенную на стороне более высоких частот полосы задерживания одного из вторых фильтров; или две полосы задерживания, первая из которых расположена на стороне более низких частот полосы пропускания одного из вторых фильтров, и вторая полоса задерживания расположена на стороне более высоких частот полосы пропускания одного из вторых фильтров; или две полосы задерживания, первая из которых расположена на стороне более низких частот полосы задерживания одного из вторых фильтров, и вторая полоса задерживания расположена на стороне более высоких частот полосы задерживания одного из вторых фильтров.
В некоторых вариантах каскадное соединение по меньшей мере одного первого фильтра и по меньшей мере одного второго фильтра включает: каскадное соединение одного из первых фильтров и одного из вторых фильтров, причем первый фильтр изготавливают с использованием первого материала, который содержит по меньшей мере один из следующих материалов: кварц, лангасит, SiO2/ZnO/Алмаз, SiO2/AIN/Алмаз, Li2B4O7, AIN/Li2B4O7, LiTaO3, LiNbO3, SiO2/LiTaO3, SiO2/LiNbO3, AIN и их сочетания.
В некоторых вариантах каскадное соединение по меньшей мере одного первого фильтра и по меньшей мере одного второго фильтра включает: каскадное соединение одного из первых фильтров и одного из вторых фильтров, причем второй фильтр изготавливают с использованием второго материала, который содержит по меньшей мере один из следующих материалов: кварц, лангасит, SiO2/ZnO/Алмаз, SiO2/AlN/Алмаз, Li2B4O7, AlN/Li2B4O7, LiTaO3, LiNbO3, SiO2/LiTaO3, SiO2/LiNbO3, ZnO, AlN и их сочетаний.
В некоторых вариантах каскадное соединение по меньшей мере одного первого фильтра и по меньшей мере одного второго фильтра включает: каскадное соединение одного из первых фильтров и одного из вторых фильтров в корпусе с использованием по меньшей мере одного из следующих средств соединения: перемычки, обеспечивающей непосредственное электрическое соединение первого и второго фильтров; или общей точки соединения внутри корпуса, с которой соединяют электрически первый и второй фильтры.
В некоторых вариантах каскадное соединение по меньшей мере одного первого фильтра и по меньшей мере одного второго фильтра включает: цепь, согласующую вход фильтра и/или выход фильтра; цепь, согласующую один из первых фильтров; цепь, согласующую один из вторых фильтров; и цепь, согласующую точку фильтра, в которой один из первых фильтров и один из вторых фильтров соединяются последовательно друг с другом.
В настоящем изобретении также предлагается способ фильтрации сигнала, включающий: обеспечение сигнала на входе первого фильтра, который представляет собой полосно-заграждающий фильтр с первой группой параметров фильтра, которые определяются первым материалом, используемым для изготовления первого фильтра; фильтрацию сигнала с использованием первого фильтра, в результате чего формируется выходной сигнал первого фильтра; обеспечение выходного сигнала первого фильтра на входе второго фильтра, который характеризуется второй группой параметров фильтра, которые определяются вторым материалом, используемым для изготовления второго фильтра, который может быть полосно-заграждающим или полосно-пропускающим фильтром; фильтрацию выходного сигнала первого фильтра с использованием второго фильтра, в результате чего формируется выходной сигнал второго фильтра; причем первый и второй материалы различаются; и сочетание первого и второго фильтров характеризуется третьей группой параметров фильтра, которые определяются как первым, так и вторым материалами.
Другие особенности и признаки настоящего изобретения станут очевидными специалистам в данной области техники после ознакомления с нижеприведенным описанием конкретных вариантов осуществления изобретения вместе с прилагаемыми фигурами.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Варианты осуществления изобретения описываются ниже со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых показано:
фигура 1А - вид двух частотных характеристик широкополосного пропускающего фильтра, для высокой и низкой температуры, соответственно;
фигура 1В - вид двух частотных характеристик широкополосного заграждающего фильтра, для высокой и низкой температуры, соответственно;
фигура 2А - вид двух частотных характеристик узкополосного пропускающего фильтра, для высокой и низкой температуры, соответственно;
фигура 2В - вид двух частотных характеристик узкополосного заграждающего фильтра, для высокой и низкой температуры, соответственно;
фигура 3 - блок-схема двух фильтров, соединенных последовательно в соответствии с некоторыми вариантами осуществления изобретения;
фигуры 4А-4Е - виды частотных характеристик отдельных фильтров и вид частотной характеристики пропускающего фильтра, полученного при каскадном соединении фильтров в соответствии с некоторыми вариантами осуществления изобретения;
фигуры 5А-5С - виды частотных характеристик отдельных фильтров и вид частотной характеристики пропускающего фильтра, полученного при каскадном соединении фильтров в соответствии с некоторыми вариантами осуществления изобретения;
фигуры 6А-6С - виды частотных характеристик отдельных фильтров и вид частотной характеристики заграждающего фильтра, полученного при каскадном соединении фильтров в соответствии с некоторыми вариантами осуществления изобретения;
фигуры 7А-7С - виды частотных характеристик отдельных фильтров и вид частотной характеристики заграждающего фильтра, полученного при каскадном соединении фильтров в соответствии с некоторыми вариантами осуществления изобретения;
фигура 8 - блок-схема каскадного фильтра и согласующих цепей в соответствии с некоторыми вариантами осуществления изобретения;
фигура 9А - схематический вид непосредственного проводного соединения между двумя последовательно соединенными фильтрами в корпусе в соответствии с одним из вариантов осуществления изобретения;
фигура 9В - схематический вид электрического соединения с помощью общей соединительной площадки между двумя последовательно соединенными фильтрами в корпусе в соответствии с одним из вариантов осуществления изобретения;
фигура 9С - схематический вид двух последовательно соединенных фильтров, с использованием шариковых выводов, в соответствии с одним из вариантов осуществления изобретения;
фигура 10 - блок-схема алгоритма выполнения способа для некоторых вариантов изобретения;
фигура 11 - блок-схема другого алгоритма выполнения способа для некоторых вариантов изобретения.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Фильтры на поверхностных акустических волнах (SAW), тонкопленочные резонаторы на объемных акустических волнах (FBAR) и/или фильтры на объемных акустических волнах (BAW) благодаря их миниатюрным размерам и дешевизне производства широко используются в компактных и портативных терминалах различных систем беспроводной связи. При этом могут быть спроектированы и изготовлены как пропускающие, так и заграждающие фильтры. Однако существующие технологии SAW, BAW и FBAR фильтров не могут обеспечить получение фильтров с улучшенными характеристиками, такими как узкие переходные полосы и более высокая мощность обрабатываемых сигналов. После 30 лет развития технологии SAW, 15 лет развития технологии FBAR и 10 лет развития технологии BAW можно сказать, что они подошли к своему пределу, и дальнейшее улучшение характеристик таких фильтров уже становится невозможным. Поэтому трудно ожидать каких-либо серьезных прорывов в области фильтров на одной подложке, изготавливаемых по указанным технологиям, если только не будут использованы новые материалы.
Для изготовления заграждающих или пропускающих фильтров с соответствующими широкими переходными полосами и широкими полосами пропускания или задерживания подходят материалы с высокими коэффициентами электромеханической связи. Однако обычно такие материалы имеют плохую температурную стабильность, то есть, они характеризуются большой величиной температурного коэффициента, в результате чего частотные характеристики приборов, изготовленных из таких материалов, существенно смещаются при изменениях температуры. Современные широкополосные фильтры, изготовленные с использованием вышеуказанных технологий SAW, FBAR и BAW, имеют два наиболее серьезных недостатка: недостаточно узкие переходные полосы частот, и большой температурный дрейф частотных характеристик. На фигуре 1А приведен пример компьютерного моделирования частотной характеристики полосно-пропускающего фильтра на подложке из одного материала, который может быть изготовлен с использованием одной из технологий SAW, FBAR или BAW. По оси Х отображается диапазон частот от 1,30 ГГц до 1,55 ГГц. Ослабление сигнала по оси Y изменяется от 10 дБ до - 100 дБ. Первая частотная характеристика 10, приведенная на фигуре 1А, получена для работы фильтра при температуре примерно 85°С. Ширина полосы пропускания для первой частотной характеристики 10 фильтра на уровне 3 дБ составляет примерно 0,080 ГГц, от 1,370 ГГц до 1,450 ГГц. Вторая частотная характеристика 12, приведенная на фигуре 1А, получена для работы этого же фильтра при температуре примерно -40°С. Ширина полосы пропускания второй частотной характеристики 12 фильтра на уровне 3 дБ составляет примерно 0,080 ГГц, от 1,380 ГГц до 1,460 ГГц. Для каждой из частотных характеристик 10, 12 видно, что переходная полоса с каждой стороны полосы пропускания довольно широка, например, для частотной характеристики на фигуре 1А переходная полоса для ослабления на 20 дБ составляет примерно 0,010 ГГц, от 1,360 ГГц до 1,370 ГГц со стороны нижних частот, и 0,010 ГГц, от 1,460 ГГц до 1,470 ГГц со стороны высоких частот полосы пропускания. Температурный дрейф частотной характеристики, изменение частоты для одного уровня ослабления между частотными характеристиками 10 и 12 (высокая и низкая температуры, соответственно) составляет примерно 0,010 ГГц.
На фигуре 1В показаны частотные характеристики 14 и 16 заграждающего фильтра для высокой и низкой температуры соответственно, которые показывают температурный дрейф частотной характеристики аналогичный температурному дрейфу, показанному на фигуре 1А.
Технологии SAW, FBAR и BAW фильтров практически уже не могут обеспечить дальнейшее уменьшение ширины переходной полосы частот. В настоящее время ширина переходной полосы в таких фильтрах ограничивается коэффициентом Q добротности, являющимся характеристикой материала, используемого в фильтрах. Высокий коэффициент Q добротности соответствует более узкой переходной полосе частот. Однако материалы с высоким коэффициентом электромеханической связи, представляющим собой свойство материала, обеспечивающее получение широкой полосы пропускания, как правило, имеют более низкую величину коэффициента Q добротности по сравнению с материалами, имеющими низкий коэффициент электромеханической связи. Материалы с высокой величиной коэффициента электромеханической связи обычно имеют худшую температурную стабильность. Поэтому ширина переходной полосы частот широкополосных фильтров, как, например, это показано на фигурах 1А и 1В, сравнительно большая, и частотная характеристика в большей степени изменяется в рабочем диапазоне температур.
Материалы, подходящие для изготовления фильтров с низкими температурными коэффициентами, пригодны для получения пропускающих или заграждающих фильтров с очень малым температурным дрейфом частотной характеристики. Материалы с низким температурным коэффициентом обычно также имеют низкий коэффициент электромеханической связи. Низкий коэффициент обеспечивает получение узкополосного фильтра.
Кварц - это один из наиболее термостабильных материалов, и он имеет очень высокую величину коэффициента Q добротности, однако его коэффициент связи низок, например, 0,11% в некоторых применениях технологии SAW. Таким образом, кварц очень хорошо подходит для изготовления узкополосных фильтров с очень узкой переходной полосой.
На фигуре 2А приведен пример компьютерного моделирования частотной характеристики полосно-пропускающего фильтра на подложке из одного материала, который может быть изготовлен с использованием одной из технологий SAW, FBAR или BAW. Диапазоны частот и диапазоны ослабления аналогичны рассмотренным выше диапазонам фигуры 1А. Первая частотная характеристика 20, приведенная на фигуре 2А, получена для работы фильтра при температуре примерно 85°С. Ширина полосы пропускания для первой частотной характеристики 20 фильтра на уровне 3 дБ составляет примерно 0,008 ГГц, от 1,442 ГГц до 1,450 ГГц. Вторая частотная характеристика 22, приведенная на фигуре 2А, получена для работы этого же фильтра при температуре примерно -40°С. Ширина полосы пропускания для второй частотной характеристики 22 фильтра на уровне 3 дБ составляет примерно 0,008 ГГц, от 1,443 ГГц до 1,451 ГГц. Полоса пропускания на уровне 3 дБ в данном случае составляет 1/10 от полосы пропускания на уровне 3 дБ, показанной на фигуре 1А для прибора, изготовленного из материала с более высоким коэффициентом связи. Для каждой из частотных характеристик 20, 22 можно видеть, что переходная полоса с каждой стороны полосы пропускания довольно мала, особенно по сравнению с переходной полосой частотных характеристик широкополосного фильтра фигуры 1А. Например, ширина переходной полосы при ослаблении на 20 дБ для фильтра фигуры 2А составляет примерно 0,001 ГГц, от 1442 ГГц до 1,443 ГГц со стороны нижних частот и от 1,450 ГГц до 1,451 ГГц со стороны высоких частот полосы пропускания. Ширина переходной полосы частот в данном случае составляет примерно 1/10 от ширины переходной полосы, показанной на фигуре 1А для прибора, изготовленного из материала с более высоким коэффициентом связи. Температурный дрейф частотной характеристики, то есть изменение частоты для одного уровня ослабления между частотными характеристиками 20 и 22 составляет примерно 0,002 ГГц. То есть в данном случае дрейф частотной характеристики в пять раз меньше, чем в случае фильтра, характеристики которого показаны на фигуре 1А и который изготовлен из материала, имеющего более высокий коэффициент связи. На фигуре 2В представлена частотная характеристика заграждающего фильтра, которая характеризуется аналогичным температурным дрейфом и аналогичной узкой переходной полосой.
Конкретные параметры частотных характеристик фильтров, представленных на фигурах 1А, 1В, 2А и 2В являются всего лишь примерами. Параметры частотных характеристик фильтров для конкретных применений зависят от варианта осуществления.
Другой способ уменьшения большого температурного дрейфа частотной характеристики фильтров, полученных с использованием технологии поверхностных акустических волн (SAW) из материала с высоким коэффициентом связи, заключается в осаждении тонкой пленки SiO2 на поверхности этого материала. Температурный коэффициент SiO2 противоположен температурному коэффициенту материалов с высоким коэффициентом связи, используемых для изготовления фильтров по технологии SAW. Поэтому тонкая пленка SiO2 будет компенсировать высокий температурный коэффициент материала с большой величиной коэффициента связи. Однако в этом случае ухудшаются характеристики фильтра, поскольку пленка SiO2 уменьшает эффективный коэффициент связи материала с покрытием, что приводит к уменьшению величины максимально достижимой частотной полосы фильтра, получаемого с использованием технологии SAW. Кроме того, благодаря действию массы, производимому пленкой SiO2, фазовая скорость поверхностных акустических волн на такой комбинированной подложке снижается, что соответствует уменьшению ширины концов электрода при практическом осуществлении таких устройств. Это нежелательно для фильтров на поверхностных акустических волнах, предназначенных для работы на высоких частотах (>2 ГГц).
В некоторых вариантах осуществления изобретения предлагается конструкция фильтра, которая подходит для систем беспроводной связи CDMA, работающих на частоте 1900 МГц, и/или WiMAX, работающих на частотах 1,5-2,5 ГГц, с уменьшенной защитной полосой частот. Для этих систем беспроводной связи будет эффективно использование высококачественных фильтров, имеющих низкий уровень вносимого ослабления сигнала, возможность обработки сигналов высокой мощности и очень узкую переходную полосу частот.
Кроме того, необходимо, чтобы фильтры для таких применений были дешевыми и очень компактными, чтобы их можно было использовать в беспроводных терминалах, таких как сотовые телефоны, КПК и т.п. В то время как в некоторых системах беспроводной связи CDMA, работающих на частоте 1900 МГц, и/или WiMAX, работающих на частотах 1,5-2,5 ГГц, с уменьшенной защитной полосой частот, могут использоваться фильтры, предлагаемые в некоторых вариантах осуществления изобретения, как это описано выше, необходимо понимать, что другие варианты фильтров могут использоваться в других системах связи, работающих в других частотных диапазонах.
В общем случае, для фильтров, изготавливаемых по технологиям SAW, FBAR и BAW, широкополосные пропускающие фильтры или широкополосные заграждающие фильтры (3% или выше) с низким уровнем вносимых потерь (меньше 3 дБ) изготавливаются с использованием материалов с высоким коэффициентом связи (K2>2%). Чем выше коэффициент связи используемого материала, тем шире максимальная полоса частот фильтра. Однако материалы с высокими величинами коэффициентов связи, как правило, имеют повышенные температурные коэффициенты, по сравнению с материалами с низкими величинами коэффициентов связи. Например, материал 42Y-X LiTaO3 имеет коэффициент K2 связи, равный 4,7%, что считается высокой величиной, и его температурный коэффициент равен -45 ppm/°С. С другой стороны, материал ST-Кварц имеет коэффициент K2 связи, равный 0,12%, что считается низкой величиной, и его температурный коэффициент при комнатной температуре равен 0 ppm/°С. В общем случае, температурный дрейф частотных характеристик фильтров, изготовленных из материалов с высоким коэффициентом связи, больше, чем у материалов с низкой величиной этого коэффициента. Кроме того, обычно материалы с высокой величиной коэффициента связи имеют ухудшенные величины показателя добротности Q. Резонатор, изготовленный по технологии SAW из материала 42Y-X LiTaO3, имеет показатель добротности от 1'000 до 2'000, в то время как SAW-резонатор, изготовленный из материала ST-Кварц, может иметь показатель добротности, величина которого превышает 10'000. Разница в величинах показателей добротности резонаторов, изготовленных из различных материалов, проявляется в разной ширине переходной полосы частот фильтра.
В отличие от материалов с высокой величиной коэффициента связи материалы с малыми коэффициентами связи (K2<2%) используются для узкополосных пропускающих или заграждающих фильтров. Благодаря высокому показателю добротности и низкому температурному коэффициенту узкополосные пропускающие или заграждающие фильтры, изготовленные из материалов с низкой величиной коэффициента связи, всегда имеют более узкую переходную полосу частот и меньший температурный дрейф частотной характеристики, по сравнению с широкополосными пропускающими или заграждающими фильтрами, изготовленными из материалов с высокой величиной коэффициента связи. Поэтому материалы с низкой величиной коэффициента связи часто используются для фильтров с более узкой полосой частот.
Нижеприведенная Таблица 1 содержит перечень различных материалов (Наименование материала), которые могут использоваться для изготовления устройств по технологиям SAW, BAW и FBAR, и указывает специально тип устройства, для которого могут использоваться такие материалы (Тип фильтра). Таблица 1 содержит также скорость акустических волн (Скорость), коэффициент электромеханической связи (Коэффициент связи - K2) и температурный коэффициент при комнатной температуре (Температурный коэффициент при комнатной температуре) для каждого из указанных материалов.
В некоторых вариантах используется фильтр первого типа с меньшим коэффициентом связи и меньшим температурным коэффициентом, изготавливаемый из первого материала, который содержит по меньшей мере один из нижеуказанных материалов: кварц, лангасит, SiO2/ZnO/Алмаз, SiO2/AlN/Алмаз, Li2B4O7, AlN/Li2B4O7, LiTaO3, LiNbO3, SiO2/LiTaO3, SiO2/LiNbO3, AlN и их сочетания.
В некоторых вариантах используется фильтр второго типа с большей величиной коэффициента связи, изготавливаемый из второго материала, который содержит по меньшей мере один из нижеуказанных материалов: кварц, лангасит, SiO2/ZnO/Алмаз, SiO2/AlN/Алмаз, Li2B4O7, AlN/Li2B4O7, LiTaO3, LiNbO3, SiO2/LiTaO3, SiO2/LiNbO3, ZnO, AlN и их сочетания.
Имеется перекрытие типов материалов, которые могут использоваться для изготовления фильтров, имеющих свойства различных материалов, а именно, высокая/низкая величина коэффициента связи и высокая/низкая величина температурного коэффициента. Однако, поскольку используемые материалы имеют соответствующие высокие и низкие величины характеристик по сравнению друг с другом, то могут быть спроектированы и изготовлены последовательно соединенные фильтры с необходимыми характеристиками. Параметры фильтров с каскадным соединением, которые можно изменять путем выбора материалов, могут включать, например, ширину полосы пропускания пропускающего или заграждающего фильтра, величину температурного дрейфа частотной характеристики и ширину переходных полос.
За счет использования технологий SAW, FBAR и/или BAW некоторые варианты осуществления изобретения позволяют получить дешевые устройства, имеющие миниатюрные размеры. Идея изобретения заключается в каскадном (последовательном) соединении по меньшей мере двух фильтров, изготовленных по технологиям SAW, FBAR или BAW, причем по меньшей мере один фильтр изготовлен из материала, который имеет низкий температурный коэффициент, позволяющий получить малый температурный дрейф частотной характеристики, и по меньшей мере один фильтр изготовлен из материала с высокой величиной коэффициента электромеханической связи, позволяющего получить широкополосный пропускающий или заграждающий фильтр. Объединение по меньшей мере двух фильтров, материалы которых имеют указанные различные характеристики, позволяет получить фильтр с широкой полосой пропускания или задерживания, узкой переходной полосой и малым температурным дрейфом частотной характеристики.
В некоторых вариантах осуществления изобретения полосно-заграждающий фильтр, изготовленный из материала, имеющего низкий температурный коэффициент, соединяют последовательно с полосно-заграждающим или полосно-пропускающим фильтром, который изготовлен из материала с высоким коэффициентом связи, для получения широкополосного фильтра со сверхузкой переходной полосой и с очень малым температурным дрейфом частотной характеристики такого составного фильтра.
В конкретном примере составного фильтра, выполненного в соответствии с одним из вариантов, рассмотренных в настоящем описании, он имеет очень широкую полосу пропускания/задерживания (>3% или >60 МГц на частоте 1,93 ГГц) и очень узкую переходную полосу (<0,5% или <10 МГц на частоте 1,93 ГГц), а также очень малый температурный дрейф частотной характеристики (<360 ppm в диапазоне от -40°С до 80°С).
На фигуре 3 приведена блок-схема двух фильтров А и В, соединенных последовательно. В некоторых вариантах фильтр А является узкополосным полосовым фильтром, изготовленным с использованием материала подложки, имеющего более низкий коэффициент связи по сравнению с коэффициентом связи материала, использованного материал, использованный для изготовления фильтра А, имеет меньшую величину температурного коэффициента по сравнению с величиной температурного коэффициента материала, использованного для изготовления фильтра В, и поэтому фильтр А имеет меньший температурный дрейф частотной характеристики по сравнению с температурным дрейфом частотной характеристики фильтра В. За счет характеристик материала, выбранного для изготовления фильтра А, этот фильтр имеет более узкую переходную полосу по сравнению с переходной полосой фильтра В.
Фильтр В является широкополосным фильтром, изготовленным с использованием материала подложки, имеющего более высокий коэффициент связи по сравнению с коэффициентом связи материала, использованного за счет характеристик выбранного материала фильтра В, этот фильтр имеет широкую полосу пропускания или задерживания.
Частотная характеристика двух соединенных последовательно фильтров А и В обеспечивает широкую полосу пропускания или широкую полосу задерживания с узкой переходной полосой по меньшей мере на одной стороне полосы пропускания или задерживания. В некоторых вариантах, когда фильтр А имеет частотную характеристику лишь с одной узкой полосой задерживания, частотная характеристика последовательно соединенных фильтров А и В имеет узкую переходную полосу лишь на одной стороне широкой полосы пропускания или задерживания, либо на стороне высоких частот, либо на стороне низких частот, в зависимости от параметров фильтра А. В некоторых вариантах, когда фильтр А имеет частотную характеристику по меньшей мере с двумя узкими полосами задерживания, частотная характеристика последовательно соединенных фильтров А и В имеет узкие переходные полосы по обеим сторонам широкой полосы пропускания или задерживания.
Некоторые варианты осуществления изобретения обеспечивают получение нового типа составного пропускающего или заграждающего фильтра, изготовленного по технологии FBAR, который имеет существенно более узкие переходные полосы, улучшенную температурную стабильность, а также более широкую полосу пропускания или задерживания по сравнению с одним пропускающим или заграждающим фильтром, изготовленным по технологии FBAR.
Для изготовления устройств FBAR широко используются такие пьезоэлектрические материалы, как тонкие пленки из нитрида алюминия (AlN) и оксида цинка (ZnO). Материал AlN имеет температурный коэффициент порядка -25 ppm/°C и коэффициент связи примерно 6,5%. Материал ZnO имеет температурный коэффициент порядка 60 ppm/°C и коэффициент связи примерно 8,5%. AlN имеет более высокий показатель добротности Q по сравнению с ZnO. Используя материал AlN, который имеет более высокий показатель добротности Q и лучшую температурную стабильность по сравнению с ZnO, в качестве материала для изготовления фильтра, можно получить фильтр с узкой переходной полосой и малым температурным дрейфом частотной характеристики. Используя материал ZnO, который имеет более высокую величину коэффициента связи по сравнению с AlN, в качестве материала для изготовления фильтра, можно получить фильтр с более широкой полосой пропускания или задерживания. Соединяя последовательно два фильтра FBAR, один из которых представляет собой полосно-заграждающий фильтр, изготовленный с использованием AlN, и другой фильтр представляет собой полосно-пропускающий или полосно-заграждающий фильтр, изготовленный с использованием ZnO, можно получить новый фильтр FBAR, имеющий более узкую переходную полосу, более широкую полосу пропускания или задерживания, а также меньший температурный дрейф по сравнению с взятыми по отдельности фильтрами FBAR, изготовленными из AlN или из ZnO. В других вариантах полосно-заграждающий фильтр FBAR, изготовленный из AlN, как это было указано выше, может быть заменен полосно-заграждающим фильтром SAW или полосно-заграждающим фильтром BAW, который имеет узкую переходную полосу и малый температурный дрейф частотной характеристики, для получения полосно-пропускающего или полосно-заграждающего фильтра с новыми характеристиками.
Для заданной конструкции фильтра необходимо учитывать переходную полосу фильтра, максимальный дрейф частотной характеристики в рабочем диапазоне температур, а также допуски производства для конкретного материала для соблюдения требований к защитной полосе частот. В общем случае фильтр, подложка которого состоит из одного материала с высокой величиной коэффициента связи и который имеет широкую полосу пропускания или задерживания и увеличенный температурный дрейф частотной характеристики, требует применения более широкой защитной полосы по сравнению с узкополосными фильтрами из материала с низкой величиной коэффициента связи.
В некоторых вариантах составной фильтр содержит по меньшей мере один первый фильтр, каждый из которых представляет собой полосно-заграждающий фильтр с первой группой параметров фильтра, которые зависят от первого материала, используемого для изготовления указанного по меньшей мере одного первого фильтра. Составной фильтр также содержит по меньшей мере один второй фильтр со второй группой параметров фильтра, которые зависят от второго материала, используемого для изготовления указанного по меньшей мере одного второго фильтра. Вторые фильтры представляют собой полосно-заграждающие или полосно-пропускающие фильтры. По меньшей мере один первый фильтр и по меньшей мере один второй фильтр соединяют последовательно для формирования составного фильтра. В некоторых вариантах первый материал и второй материал - это разные материалы. Составной фильтр имеет третью группу параметров фильтра, которые зависят как от первого, так и от второго материала.
В некоторых вариантах составной фильтр содержит два отдельных кристалла из разных материалов. В некоторых вариантах для изготовления обоих фильтров используются одинаковые технологии, однако в них могут использоваться разные материалы. Например, оба фильтра могут быть спроектированы и изготовлены с использованием технологий SAW, FBAR или BAW. В некоторых вариантах могут использоваться разные технологии проектирования и изготовления фильтров, и для разных фильтров могут использоваться разные материалы. В первом примере первый фильтр изготавливается с использованием технологии SAW и второй фильтр изготавливается с использованием технологии FBAR. Во втором примере первый фильтр изготавливается с использованием технологии FBAR и второй фильтр изготавливается с использованием технологии BAW. В третьем примере первый фильтр изготавливается с использованием технологии SAW и второй фильтр изготавливается с использованием технологии BAW. В четвертом примере первый фильтр изготавливается с использованием технологии BAW и второй фильтр изготавливается с использованием технологии FBAR. Изобретение охватывает и другие сочетания фильтров, в конструировании и изготовлении которых используются разные технологии. Поскольку два соединенных последовательно фильтра могут представлять разные сочетания фильтров SAW, FBAR и BAW, то такая конструкция составного фильтра обеспечивает большую свободу в выборе конструктивных решений.
Независимо от технологии, используемой для проектирования и изготовления каждого фильтра, по меньшей мере один фильтр первого типа изготавливают с использованием материала с низкой величиной коэффициента связи и малым температурным коэффициентом по сравнению с материалом, используемым для изготовления по меньшей мере одного фильтра второго типа, для получения узкополосного фильтра с узкой переходной полосой и малой величиной температурного дрейфа частотной характеристики. По меньшей мере один фильтр второго типа изготавливают с использованием материала с высокой величиной коэффициента связи по сравнению с материалом, используемым для изготовления по меньшей мере одного фильтра первого типа, для получения широкополосного фильтра.
Благодаря разным характеристикам материалов двух фильтров узкополосный заграждающий фильтр может использоваться для улучшения двух характеристик широкополосного фильтра, а именно широкой переходной полосы и большого дрейфа частотной характеристики в рабочем диапазоне температур. Поскольку узкополосный заграждающий фильтр имеет достаточно широкую полосу задерживания и достаточно большую степень ослабления сигнала в полосе задерживания для компенсации дрейфа частотной характеристики широкополосного фильтра в рабочем диапазоне температур, то частотная характеристика двух соединенных последовательно фильтров будет сочетать в себе все положительные качества каждого из двух фильтров, а именно: 1) широкую полосу пропускания или задерживания; 2) узкую переходную полосу по меньшей мере на одном краю широкой полосы пропускания или задерживания; и 3) малый температурный дрейф частотной характеристики.
В некоторых вариантах оба фильтра размещают в одном корпусе. В некоторых вариантах корпус составного фильтра имеет меньшие размеры по сравнению с вариантом, когда каждый фильтр имеет отдельный корпус.
Два отдельных кристалла соединяют электрически последовательно с использованием проводников и контактных площадок внутри корпуса. В некоторых вариантах осуществления два последовательно соединяемых фильтра соединяют с помощью коротких проводников и/или контактных площадок внутри корпуса. В таких вариантах практически отсутствуют какие-либо дополнительные потери, в результате чего конструкция составного фильтра позволяет достичь требуемого низкого уровня вносимых потерь.
В некоторых вариантах первый и второй фильтры соединяют электрически непосредственно с помощью перемычки. Например, для непосредственного соединения фильтров могут использоваться короткие проводники. На фигуре 9А представлен пример короткого проводника 910, непосредственно соединяющего фильтры А и В в корпусе 900.
В некоторых вариантах по меньшей мере один первый фильтр и по меньшей мере один второй фильтр соединяют электрически с использованием общей точки соединения внутри корпуса. В некоторых вариантах каждый фильтр может быть подсоединен с помощью коротких проводников к контактной площадке, расположенной внутри корпуса, и электрическое соединение двух фильтров осуществляется через общую контактную площадку. На фигуре 9В показан первый короткий проводник 915, соединяющий фильтр А с контактной площадкой 930 в корпусе 920, и второй короткий проводник 925, соединяющий фильтр В также с контактной площадкой 930.
В некоторых вариантах для соединения фильтров в корпусе может использоваться технология соединения с помощью шариковых выводов. На фигуре 9С представлен пример соединения кристалла фильтра А и кристалла фильтра В к корпусу 940 с помощью шариковых выводов 950. Соединительные дорожки внутри корпуса между контактными точками соединений с помощью шариковых выводов могут обеспечивать электрическое соединение между фильтрами.
Рассмотренные примеры - это всего лишь некоторые возможные примеры каскадного соединения и размещения в корпусе нескольких кристаллов фильтров. Возможны и другие способы размещения фильтров в корпусе. Кроме того, хотя на фигурах 9А, 9В и 9С показаны только два фильтра, однако следует понимать, что рассмотренные принципы могут быть применены и к случаю размещения и соединения более двух фильтров.
В некоторых вариантах каскадное соединение более чем двух фильтров используется для получения конструкции фильтра, обеспечивающего различную ширину защитных полос.
В некоторых вариантах соединяются последовательно только два фильтра, однако каждый из этих двух фильтров может обеспечивать несколько полос пропускания или задерживания. Например, первый фильтр, изготовленный с использованием первого материала, может обеспечивать две узкие полосы задерживания с узкими переходными полосами, которые отделены друг от друга по частоте расстоянием, эквивалентным одной широкой полосе пропускания или задерживания второго фильтра, изготовленного с использованием второго материала.
В некоторых вариантах каждый из нескольких фильтров, которые могут быть соединены последовательно, имеет индивидуальную частотную характеристику, так чтобы при соединении этих фильтров обеспечивалось получение необходимой частотной характеристики составного фильтра. Например, первый фильтр первого типа, изготовленный с использованием первого материала, может обеспечивать одну узкую полосу задерживания с узкими переходными полосами на стороне более низких частот широкой полосы пропускания или задерживания второго фильтра второго типа, изготовленного с использованием второго материала. Третий фильтр первого типа, изготовленный с использованием первого материала, может обеспечивать одну узкую полосу задерживания с узкими переходными полосами на стороне более высоких частот широкой полосы пропускания или задерживания. В некоторых вариантах третий фильтр может быть изготовлен с использованием третьего материала, характеристики которого более похожи на характеристики первого материала, чем на характеристики второго материала. В этом случае можно получить переходные полосы разной ширины со сторон более низких и более высоких частот широкой полосы пропускания или задерживания фильтра.
Ниже описываются четыре разных варианта составных фильтров для разных типов частотных характеристик фильтров.
Иллюстративный вариант №1
Ниже со ссылками на фигуры 4А-4Е описывается первый вариант, в котором широкополосный пропускающий фильтр соединен последовательно с узкополосным заграждающим фильтром, полоса задерживания которого находится со стороны более высоких частот широкополосного фильтра.
На фигуре 4А представлены виды двух частотных характеристик широкополосного пропускающего фильтра, причем одна частотная характеристика 40 получена для высокой температуры (примерно 85°С) и вторая частотная характеристика 41 получена для низкой температуры (примерно -40°С). Широкополосный фильтр был изготовлен из материала с более высокой величиной коэффициента связи, чем у материала, использованного для изготовления узкополосного фильтра. Фигура 4А соответствует фигуре 1А.
На фигуре 4В представлены виды двух частотных характеристик узкополосного заграждающего фильтра, причем одна частотная характеристика 42 получена для высокой температуры и вторая частотная характеристика 43 получена для низкой температуры. Узкополосный фильтр был изготовлен из материала с более низкой величиной коэффициента связи, чем у материала, использованного для изготовления широкополосного фильтра, и более низкий температурный коэффициент, чем у материала, использованного для изготовления широкополосного фильтра. Фигура 4В аналогична фигуре 2В за исключением того, что частотная характеристика заграждающего фильтра на фигуре 4В расположена в диапазоне частот от 1,450 ГГц до 1,480 ГГц.
На фигуре 4С представлен вид частотной характеристики 44 полученного составного фильтра для повышенной температуры. Диапазон частот и диапазон ослабления на фигуре 4С такие же, как и на фигурах 4А и 4В. Ширина полосы пропускания для частотной характеристики фильтра на уровне 3 дБ составляет примерно 0,080 ГГц, от 1,370 ГГц до 1,450 ГГц. Переходная полоса на стороне более низких частот частотной характеристики имеет достаточно большую ширину, например, ослабление на 20 дБ происходит в полосе 0,01 ГГц от 1,36 ГГц до 1,37 ГГц. Переходная полоса на стороне более высоких частот частотной характеристики имеет существенно меньшую ширину, например, ослабление на 20 дБ происходит в полосе 0,001 ГГц от 1,450 ГГц до 1,451 ГГц.
На фигуре 4D представлен вид частотной характеристики 45 полученного составного фильтра для пониженной температуры. Диапазон частот и диапазон ослабления на фигуре 4D такие же, как и на фигуре 4С. Ширина полосы пропускания для частотной характеристики фильтра на уровне 3 дБ составляет примерно 0,075 ГГц, от 1,378 ГГц до 1,453 ГГц. Переходная полоса на стороне более низких частот частотной характеристики имеет достаточно большую ширину, например, ослабление на 20 дБ происходит в полосе 0,010 ГГц от 1,368 ГГц до 1,378 ГГц. Переходная полоса на стороне более высоких частот частотной характеристики имеет существенно меньшую ширину, например, ослабление на 20 дБ происходит в полосе 0,001 ГГц от 1,453 ГГц до 1,454 ГГц.
На фигуре 4Е представлены виды двух частотных характеристик полученного составного фильтра, причем одна частотная характеристика 46 получена для высокой температуры и вторая частотная характеристика 47 получена для низкой температуры. Этот график представляет собой практически наложенные друг на друга фигуры 4С и 4D. На стороне более низких частот полос пропускания частотных характеристик 46, 47 линии переходных полос практически параллельны и расстояние между ними для заданного ослабления составляет примерно 0,010 ГГц. На стороне более высоких частот полосы пропускания частотных характеристик 46, 47 переходные полосы существенно уже переходных полос на стороне более низких частот и линии переходных полос практически параллельны. Частотные характеристики 46, 47 для высокой и низкой температур, соответственно, разнесены по частоте для заданного ослабления примерно на 0,003 ГГц. Таким образом, на стороне более высоких частот полосы пропускания переходная полоса имеет температурный дрейф частотной характеристики, который примерно на 2/3 меньше, чем на стороне более низких частот полосы пропускания.
В некоторых вариантах при разработке подходящей переходной полосы для фильтра, составленного из двух последовательно соединенных фильтров, как это было описано выше, особенное значение имеет ширина полосы задерживания узкополосного фильтра. Как показано на фигурах 4А и 4В, ширина заграждающей полосы узкополосного фильтра должна быть достаточно большой, чтобы перекрывать отсутствие задерживания, возникающее при дрейфе частотной характеристики широкополосного фильтра в рабочем диапазоне температур.
При разработке фильтров необходимо обеспечивать, чтобы характеристики получаемого составного фильтра удовлетворяли требованиям при любой температуре в рабочем диапазоне температур путем выбора соответствующей ширины полосы задерживания узкополосного заграждающего фильтра.
Иллюстративный вариант №2
Ниже со ссылками на фигуры 5А-5С описывается второй вариант, в котором широкополосный пропускающий фильтр соединен с фильтром, имеющим две узкие полосы задерживания, одна из которых находится на стороне более низких частот полосы пропускания широкополосного фильтра, и другая заграждающая полоса находится на стороне более высоких частот полосы пропускания широкополосного фильтра.
На фигуре 5А приведена частотная характеристика 50 для высокой температуры (примерно 85°С) и частотная характеристика 51 для низкой температуры (примерно -40°С), которые аналогичны двум частотным характеристикам, представленным на фигуре 4А.
На фигуре 5В представлены виды двух частотных характеристик узкополосного заграждающего фильтра, причем одна частотная характеристика 52 получена для высокой температуры, а вторая частотная характеристика 53 получена для низкой температуры. Узкополосный фильтр изготовлен из материала с более низкой величиной коэффициента связи, которая мало изменяется при изменениях температуры. Как показано на фигуре 5В, первая полоса задерживания имеет ширину примерно 0,030 ГГц, от 1,35 ГГц до 1,38 ГГц, и вторая полоса задерживания имеет ширину примерно 0,030 ГГц, от 1,45 ГГц до 1,48 ГГц.
На фигуре 5С представлены виды двух частотных характеристик полученного составного фильтра, причем одна частотная характеристика 54 получена для высокой температуры, а вторая частотная характеристика 55 получена для низкой температуры. На стороне более низких частот полос пропускания частотных характеристик 54, 55 линии переходных полос практически параллельны и расстояние между ними для заданного ослабления составляет примерно 0,002 ГГц. На стороне более высоких частот полос пропускания частотных характеристик 54, 55 линии переходных полос практически параллельны и расстояние между ними для заданного ослабления составляет примерно 0,002 ГГц. Таким образом, в результате каскадного соединения двух фильтров частотная характеристика полученного составного фильтра имеет широкую полосу пропускания с узкими переходными полосами с обеих сторон полосы пропускания и очень малый температурный дрейф.
Иллюстративный вариант №3
Ниже со ссылками на фигуры 6А-6С описывается третий вариант, в котором широкополосный заграждающий фильтр соединен последовательно с узкополосным заграждающим фильтром, полоса задерживания которого находится на стороне более низких частот широкополосного фильтра.
На фигуре 6А представлены виды двух частотных характеристик широкополосного заграждающего фильтра, причем одна частотная характеристика 60 получена для высокой температуры (примерно 85°С), а вторая частотная характеристика 61 получена для низкой температуры (примерно -40°С). Широкополосный фильтр изготовлен из материала с высокой величиной коэффициента связи. Фигура 6А соответствует фигуре 1В.
На фигуре 6В представлены виды двух частотных характеристик узкополосного заграждающего фильтра, причем одна частотная характеристика 62 получена для высокой температуры, а вторая частотная характеристика 63 получена для низкой температуры. Узкополосный фильтр изготовлен из материала с более низкой величиной коэффициента связи, которая мало изменяется при изменениях температуры. Фигура 6В аналогична фигуре 2В за исключением того, что частотная характеристика заграждающего фильтра на фигуре 6В расположена в диапазоне частот от 1,37 ГГц до 1,40 ГГц.
На фигуре 6С представлены виды двух частотных характеристик полученного составного фильтра, причем одна частотная характеристика 64 получена для высокой температуры, а вторая частотная характеристика 65 получена для низкой температуры. На стороне более низких частот полос пропускания частотных характеристик 64, 65 линии переходных полос практически параллельны, и расстояние между ними для заданного ослабления составляет примерно 0,002 ГГц. На стороне более высоких частот полос пропускания частотных характеристик 64, 65 линии переходных полос практически параллельны и расстояние между ними для заданного ослабления составляет примерно 0,010 ГГц. Таким образом, на стороне более низких частот полосы пропускания переходная полоса имеет температурный дрейф частотной характеристики, который примерно на 4/5 меньше, чем на стороне более высоких частот полосы пропускания.
Иллюстративный вариант №4
Ниже со ссылками на фигуры 7А-7С описывается четвертый вариант, в котором широкополосный заграждающий фильтр соединен с фильтром, имеющим две узкие полосы задерживания, одна из которых находится на стороне более низких частот полосы пропускания широкополосного фильтра, и другая полоса задерживания находится на стороне более высоких частот полосы пропускания широкополосного фильтра.
На фигуре 7А приведена частотная характеристика 70 для высокой температуры (примерно 85°С) и частотная характеристика 71 для низкой температуры (примерно -40°С), которые аналогичны двум частотным характеристикам, представленным на фигуре 6А.
На фигуре 7В представлены виды двух частотных характеристик узкополосного заграждающего фильтра, причем одна частотная характеристика 72 получена для высокой температуры, а вторая частотная характеристика 73 получена для низкой температуры. Узкополосный фильтр изготовлен из материала с более низкой величиной коэффициента связи, которая мало изменяется при изменениях температуры. Частотные характеристики, приведенные на фигуре 7В, аналогичны характеристикам, показанным на фигуре 6В.
На фигуре 7С представлены виды двух частотных характеристик полученного составного фильтра, причем одна частотная характеристика 74 получена для высокой температуры и вторая частотная характеристика 75 получена для низкой температуры. На стороне более низких частот полос пропускания частотных характеристик 74, 75 линии переходных полос практически параллельны, и расстояние между ними для заданного ослабления составляет примерно 0,002 ГГц. На стороне более высоких частот полос пропускания частотных характеристик 74, 75 линии переходных полос практически параллельны и расстояние между ними для заданного ослабления составляет примерно 0,002 ГГц. Таким образом, в результате каскадного соединения двух фильтров частотная характеристика полученного составного фильтра имеет широкую полосу задерживания с узкими переходными полосами с обеих сторон полосы задерживания и очень малый температурный дрейф.
Конкретные параметры частотных характеристик фильтров, представленных на фигурах 4А-4Е, 5А-5С, 6А-6С и 7А-7С, являются всего лишь примерами. Состав параметров, используемых при разработке фильтров для какого-либо конкретного приложения, таких, как, например, ширина переходных полос, ширина полосы пропускания или задерживания, а также температурный дрейф частотной характеристики, зависит от способа осуществления фильтра.
В некоторых вариантах вместе с каскадной конфигурацией фильтра могут использоваться согласующие цепи. В некоторых вариантах характеристики составного фильтра могут быть улучшены за счет использования согласующих цепей. На фигуре 8 приведена блок-схема, иллюстрирующая использование согласующих цепей в составных фильтрах в соответствии с изобретением. Как показано на фигуре 8, фильтры А и В соединены последовательно в корпусе 860, обеспечивая получение составного фильтра с некоторой частотной характеристикой. Со входом фильтра А соединена первая согласующая цепь 810. Первая согласующая цепь 810 имеет два входа 812, 814. Входной сигнал составного фильтра может подаваться на входы 812, 814. С выходом фильтра В соединена вторая согласующая цепь 820. Вторая согласующая цепь 820 имеет два выхода 822, 824. Выход составного фильтра обеспечивается на выходах 822, 824. С фильтром А соединяется третья согласующая цепь 830 для согласования самого фильтра А. Третья согласующая цепь 830 заземлена. С фильтром В соединяется четвертая согласующая цепь 840 для согласования самого фильтра В. Четвертая согласующая цепь 840 заземлена. Для согласования соединения между фильтрами А и В между ними подключена пятая согласующая цепь 850. Пятая согласующая цепь 850 заземлена.
На фигуре 8 иллюстрируется группа согласующих цепей для фильтра, содержащая два последовательно соединенных фильтра, которые уже были описаны выше. В некоторых вариантах не все согласующие цепи, показанные на фигуре 8, используются вместе с последовательно соединенными фильтрами. Количество согласующих цепей и места их расположения в составном фильтре определяются конкретным применением.
Согласующие цепи могут быть реализованы с использованием дискретных элементов, или линий передачи, или их сочетаний. В некоторых вариантах согласующие цепи могут содержать дискретные индуктивные элементы.
Ниже будет описан способ изготовления фильтра со ссылками на фигуру 10.
На первой стадии 10-1 осуществляется последовательное соединение по меньшей мере одного первого фильтра по меньшей мере с одним вторым фильтром. Каждый первый фильтр представляет собой полосно-заграждающий фильтр с первой группой параметров фильтра, которые определяются первым материалом, используемым для изготовления по меньшей мере одного первого фильтра. Каждый второй фильтр характеризуется второй группой параметров фильтра, которые определяются вторым материалом, используемым для изготовления по меньшей мере одного второго фильтра. Каждый второй фильтр может быть полосно-заграждающим или полосно-пропускающим фильтром. Первый и второй материалы различаются. Составной фильтр характеризуется третьей группой параметров фильтра, которые определяются как первым, так и вторым материалами.
Хотя в вышеописанном способе описывается изготовление составного фильтра из двух фильтров, следует понимать, что в соответствии с вышеописанными вариантами осуществления изобретения в составном фильтре могут использоваться несколько первых фильтров и несколько вторых фильтров. Кроме того, если используется несколько первых фильтров, то для их изготовления могут использоваться разные материалы, однако характеристики этих материалов более близки между собой, чем характеристики материалов первых фильтров и характеристики материалов вторых фильтров. То же самое справедливо для вторых фильтров.
Ниже будет описан способ фильтрации с использованием фильтра со ссылками на фигуру 11.
На первой стадии 11-1 на вход первого фильтра подается сигнал. Первый фильтр представляет собой полосно-заграждающий фильтр с первой группой параметров фильтра, которые определяются первым материалом, используемым для изготовления по меньшей мере одного первого фильтра.
На второй стадии 11-2 осуществляется фильтрация сигнала с использованием первого фильтра, на выходе которого формируется выходной сигнал.
На третьей стадии 11-3 выходной сигнал первого фильтра подается на вход второго фильтра, который характеризуется второй группой параметров фильтра, которые определяются вторым материалом, используемым для изготовления по меньшей мере одного второго фильтра, который может быть полосно-заграждающим или полосно-пропускающим фильтром.
На четвертой стадии 11-4 осуществляется фильтрация сигнала с использованием второго фильтра, на выходе которого формируется выходной сигнал.
Первый и второй материалы различаются. Составной фильтр, содержащий по меньшей мере один первый фильтр и по меньшей мере один второй фильтр и используемый для фильтрации сигнала, имеет третью группу параметров фильтра, которые определяются первым и вторым материалами.
Хотя в вышеописанном способе описывается фильтрация сигнала с использованием двух фильтров, следует понимать, что в соответствии с вышеописанными вариантами осуществления изобретения в составном фильтре могут использоваться несколько первых фильтров и несколько вторых фильтров. Кроме того, если используется несколько первых фильтров, то для их изготовления могут использоваться разные материалы, однако характеристики этих материалов более близки между собой, чем характеристики материалов первых фильтров и характеристики материалов вторых фильтров. То же самое справедливо для вторых фильтров.
Некоторые варианты осуществления изобретения также могут обеспечить дешевое и компактное устройство уплотнения, характеризующееся низким уровнем вносимых потерь, способностью обрабатывать достаточно мощные сигналы, широкой полосой пропускания или задерживания, узкой переходной полосой и малым температурным дрейфом, путем применения признаков изобретения, относящихся к составному фильтру.
Возможны различные модификации настоящего изобретения, не выходящие за рамки его существа, раскрытого в описании. Поэтому необходимо понимать, что в пределах объема прилагаемой формулы изобретения оно может быть реализовано в таких формах, которые отличаются от описанных выше конкретных вариантов реализации.
| название | год | авторы | номер документа |
|---|---|---|---|
| ПОЛОСОВОЙ РЕЖЕКТОРНЫЙ ФИЛЬТР, ТЕЛЕКОММУНИКАЦИОННАЯ БАЗОВАЯ СТАНЦИЯ И ТЕРМИНАЛ, ДУПЛЕКСЕР И СПОСОБ СОГЛАСОВАНИЯ ИМПЕДАНСОВ | 2009 |
|
RU2497272C2 |
| ПОЛОСНО-ЗАГРАЖДАЮЩИЙ ФИЛЬТР | 2006 |
|
RU2327261C2 |
| Неотражающий полосно-пропускающий фильтр нечетных гармоник | 2024 |
|
RU2820791C1 |
| ПОЛОСНО-ПРОПУСКАЮЩИЙ ПЕРЕСТРАИВАЕМЫЙ ФИЛЬТР СВЧ | 2011 |
|
RU2459320C1 |
| ПОРОГОВЫЙ БИНАРНЫЙ ОБНАРУЖИТЕЛЬ | 2000 |
|
RU2185638C2 |
| Фильтрующее устройство | 1985 |
|
SU1262601A1 |
| ПОЛОСНО-ПРОПУСКАЮЩИЙ ФИЛЬТР | 2003 |
|
RU2248074C1 |
| ОПТИЧЕСКИЙ МНОГОСЛОЙНЫЙ ФИЛЬТР | 2006 |
|
RU2316029C1 |
| ПОЛОСНО-ПРОПУСКАЮЩИЙ ПЕРЕСТРАИВАЕМЫЙ ФИЛЬТР СВЧ | 2008 |
|
RU2372695C1 |
| ОПТИЧЕСКИЙ МНОГОСЛОЙНЫЙ ФИЛЬТР | 2007 |
|
RU2330313C1 |
Изобретение относится к каскадному соединению нескольких фильтров. Достигаемый технический результат - обеспечение широкой полосы пропускания или широкой полосы задерживания с узкой полосой по меньшей мере на одной стороне полосы пропускания или задерживания. Фильтр содержит по меньшей мере один первый фильтр, который представляет собой полосно-заграждающий фильтр с первой группой параметров, которые определяются первым материалом, используемым для его изготовления и по меньшей мере один второй фильтр со второй группой параметров фильтра, которые определяются вторым материалом, фильтра, каждый из фильтров представляет собой полосно-заграждающий фильтр или полосно-пропускающий фильтр, фильтры соединяют для формирования составного фильтра, первый и второй материалы различаются, составной фильтр имеет третью группу параметров, которые зависят как от первого, так и от второго материалов. 3 н. и 16 з.п. ф-лы, 11 ил. 
1. Фильтр, содержащий:
по меньшей мере один первый фильтр, причем каждый первый фильтр представляет собой полосно-заграждающий фильтр, имеющий первую группу параметров фильтра, которые определяются первым материалом, использованным для изготовления соответствующего первого фильтра;
по меньшей мере один второй фильтр, причем каждый второй фильтр имеет вторую группу параметров фильтра, которые определяются вторым материалом, использованным для изготовления соответствующего второго фильтра, причем каждый второй фильтр представляет собой один из полосно-заграждающего фильтра и полосно-пропускающего фильтра;
при этом по меньшей мере один из упомянутого по меньшей мере одного первого фильтра и по меньшей мере один из упомянутого по меньшей мере одного второго фильтра каскадно соединены друг с другом;
при этом первый материал и второй материал представляют собой разные материалы; и
при этом фильтр имеет третью группу параметров фильтра, которые определяются как первым материалом, так и вторым материалом; и
при этом первый материал имеет меньшую величину температурного коэффициента по сравнению со вторым материалом, так что каждый первый фильтр имеет меньший температурный дрейф частоты, чем каждый второй фильтр.
2. Фильтр по п.1, в котором каждый первый фильтр представляет собой узкополосный полосно-заграждающий фильтр с частотной характеристикой, имеющей по меньшей мере одну полосу задерживания, причем каждая полоса задерживания имеет более узкие переходные полосы по сравнению с переходными полосами каждого второго фильтра.
3. Фильтр по п.1, в котором каждый второй фильтр представляет собой один из широкополосного полосно-пропускающего фильтра и широкополосного полосно-заграждающего фильтр.
4. Фильтр по п.1, в котором второй материал имеет более высокий коэффициент электромеханической связи по сравнению с первым материалом.
5. Фильтр по п.1, в котором каждый первый фильтр имеет одно из:
первой полосы задерживания, расположенной на стороне более низких частот полосы пропускания одного из упомянутого по меньшей мере одного второго фильтра;
первой полосы задерживания, расположенной на стороне более низких частот полосы задерживания одного из упомянутого по меньшей мере одного второго фильтра;
первой полосы задерживания, расположенной на стороне более высоких частот полосы пропускания одного из упомянутого по меньшей мере одного второго фильтра;
первой полосы задерживания, расположенной на стороне более высоких частот полосы задерживания одного из упомянутого по меньшей мере одного второго фильтра;
двух полос задерживания, причем первая полоса задерживания из этих двух полос задерживания расположена на стороне более низких частот полосы пропускания одного из упомянутого по меньшей мере одного второго фильтра, а вторая полоса задерживания из этих двух полос задерживания расположена на стороне более высоких частот полосы пропускания одного из упомянутого по меньшей мере одного второго фильтра; и
двух полос задерживания, причем первая полоса задерживания из этих двух полос задерживания расположена на стороне более низких частот полосы задерживания одного из упомянутого по меньшей мере одного второго фильтра, а вторая полоса задерживания из этих двух полос задерживания расположена на стороне более высоких частот полосы задерживания одного из упомянутого по меньшей мере одного второго фильтра.
6. Фильтр по п.1, в котором:
каждый первый фильтр изготовлен с использованием любой одной из технологии поверхностных акустических волн (SAW), технологии тонкопленочных резонаторов на объемных акустических волнах (FBAR) и технологии фильтров на объемных акустических волнах (BAW); и
каждый второй фильтр изготовлен с использованием любой одной из технологии SAW, технологии FBAR и технологии фильтров BAW.
7. Фильтр по п.1, в котором первый материал содержит по меньшей мере один из следующих материалов: кварц, лангасит, SiO2/ZnO/алмаз, SiO2/AlN/алмаз, Li2B4O7, AlN/Li2B4O7, LiTaO3, LiNbO3, SiO2/LiTaO3, SiO2/LiNbO3, AlN и их сочетания.
8. Фильтр по п.1, в котором второй материал содержит по меньшей мере один из следующих материалов: кварц, лангасит, SiO2/ZnO/алмаз, SiO2/AlN/алмаз, Li2B4O7, AlN/Li2B4O7, LiTaO3, LiNbO3, SiO2/LiTaO3, SiO2/LiNbO3, ZnO, AlN и их сочетания.
9. Фильтр по п.1, в котором первый фильтр из упомянутого по меньшей мере одного первого фильтра и второй фильтр из упомянутого по меньшей мере одного второго каскадно соединены друг с другом в корпусе с использованием по меньшей мере одного из перемычки, обеспечивающей непосредственное электрическое соединение первого и второго фильтров, и общей точки соединения внутри корпуса, к которой электрически подсоединены первый фильтр и второй фильтр.
10. Фильтр по п.1, который дополнительно содержит по меньшей мере одно из:
схемного согласующего элемента для согласования по меньшей мере одного из входа в фильтр и выхода из фильтра;
схемного согласующего элемента для согласования первого фильтра из упомянутого по меньшей мере одного первого фильтра;
схемного согласующего элемента для согласования второго фильтра из упомянутого по меньшей мере одного второго фильтра;
схемного согласующего элемента для согласования точки в фильтре, в которой первый фильтр из упомянутого по меньшей мере одного первого фильтра и второй фильтр из упомянутого по меньшей мере одного второго фильтра каскадно соединены друг с другом.
11. Способ изготовления фильтра, содержащий каскадное соединение по меньшей одного первого фильтра, причем каждый первый фильтр представляет собой полосно-заграждающий фильтр, имеющий первую группу параметров фильтра, которые определяются первым материалом, используемым для изготовления соответствующего первого фильтра, с по меньшей мере одним вторым фильтром, причем каждый второй фильтр имеет вторую группу параметров фильтра, которые определяются вторым материалом, используемым для изготовления соответствующего второго фильтра, причем каждый второй фильтр представляет собой один из полосно-заграждающего фильтра и полосно-пропускающего фильтра, при этом
первый материал и второй материал представляют собой разные материалы; и
фильтр имеет третью группу параметров фильтра, которые определяются как первым материалом, так и вторым материалом; и
первый материал имеет меньшую величину температурного коэффициента по сравнению со вторым материалом, так что каждый первый фильтр из упомянутого по меньшей мере одного первого фильтра имеет меньший температурный дрейф частоты, чем каждый второй фильтр из упомянутого по меньшей мере одного второго фильтра.
12. Способ по п.11, в котором каскадное соединение по меньшей мере одного первого фильтра и по меньшей мере одного второго фильтра содержит каскадное соединение первого фильтра из упомянутого по меньшей мере одного первого фильтра со вторым фильтром из упомянутого по меньшей мере одного второго фильтра, причем первый фильтр представляет собой узкополосный полосно-заграждающий фильтр с частотной характеристикой, имеющей по меньшей мере одну полосу задерживания, причем каждая полоса задерживания имеет более узкие переходные полосы по сравнению с переходными полосами каждого из упомянутого по меньшей мере одного второго фильтра.
13. Способ по п.11, в котором каскадное соединение по меньшей мере одного первого фильтра и по меньшей мере одного второго фильтра содержит каскадное соединение первого фильтра из упомянутого по меньшей мере одного первого фильтра со вторым фильтром из упомянутого по меньшей мере одного второго фильтра, причем второй фильтр представляет собой один из широкополосного полосно-пропускающего фильтра и широкополосного полосно-заграждающего фильтра.
14. Способ по п.11, в котором второй материал имеет более высокий коэффициент электромеханической связи по сравнению с первым материалом.
15. Способ по п.11, в котором каскадное соединение по меньшей мере одного первого фильтра и по меньшей мере одного второго фильтра содержит каскадное соединение первого фильтра из упомянутого по меньшей мере одного первого фильтра со вторым фильтром из упомянутого по меньшей мере одного второго фильтра, причем первый фильтр изготавливают с использованием любой одной из технологии поверхностных акустических волн (SAW), технологии тонкопленочных резонаторов на объемных акустических волнах (FBAR) и технологии фильтров на объемных акустических волнах (BAW), а второй фильтр изготавливают с использованием любой одной из технологии SAW, технологии FBAR и технологии фильтров BAW.
16. Способ по п.11, в котором каждый первый фильтр имеет одно из:
первой полосы задерживания, расположенной на стороне более низких частот полосы пропускания одного из упомянутого по меньшей мере одного второго фильтра;
первой полосы задерживания, расположенной на стороне более низких частот полосы задерживания одного из упомянутого по меньшей мере одного второго фильтра;
первой полосы задерживания, расположенной на стороне более высоких частот полосы пропускания одного из упомянутого по меньшей мере одного второго фильтра;
первой полосы задерживания, расположенной на стороне более высоких частот полосы задерживания одного из упомянутого по меньшей мере одного второго фильтра;
двух полос задерживания, причем первая полоса задерживания из этих двух полос задерживания расположена на стороне более низких частот полосы пропускания одного из упомянутого по меньшей мере одного второго фильтра, а вторая полоса задерживания из этих двух полос задерживания расположена на стороне более высоких частот полосы пропускания одного из упомянутого по меньшей мере одного второго фильтра; и
двух полос задерживания, причем первая полоса задерживания из этих двух полос задерживания расположена на стороне более низких частот полосы задерживания одного из упомянутого по меньшей мере одного второго фильтра, а вторая полоса задерживания из этих двух полос задерживания расположена на стороне более высоких частот полосы задерживания одного из упомянутого по меньшей мере одного второго фильтра.
17. Способ по п.11, в котором каскадное соединение по меньшей мере одного первого фильтра и по меньшей мере одного второго фильтра содержит каскадное соединение первого фильтра из упомянутого по меньшей мере одного первого фильтра со вторым фильтром из упомянутого по меньшей мере одного второго фильтра, причем первый фильтр изготавливают с использованием первого материала, который содержит по меньшей мере один из следующих материалов: кварц, лангасит, SiO2/ZnO/алмаз, SiO2/AlN/алмаз, Li2B4O7, AlN/Li2B4O7, LiTaO3, LiNbO3, SiO2/LiTaO3, SiO2/LiNbO3, AlN и их сочетания.
18. Способ по п.11, в котором каскадное соединение по меньшей мере одного первого фильтра и по меньшей мере одного второго фильтра содержит каскадное соединение первого фильтра из упомянутого по меньшей мере одного первого фильтра со вторым фильтром из упомянутого по меньшей мере одного второго фильтра, причем второй фильтр изготавливают с использованием второго материала, который содержит по меньшей мере один из следующих материалов: кварц, лангасит, SiO2/ZnO/алмаз, SiO2/AlN/алмаз, Li2B4O7, AlN/Li2B4O7, LiTaO3, LiNbO3, SiO2/LiTaO3, SiO2/LiNbO3, AlN и их сочетания.
19. Способ фильтрации сигнала, содержащий этапы, на которых:
подают сигнал на вход первого фильтра, причем первый фильтр представляет собой полосно-заграждающий фильтр, имеющий первую группу параметров фильтра, которые определяются первым материалом, использованным для изготовления первого фильтра;
фильтруют данный сигнал с использованием первого фильтра, в результате чего формируется выходной сигнал первого фильтра;
подают выходной сигнал первого фильтра во второй фильтр, причем второй фильтр имеет вторую группу параметров фильтра, которые определяются вторым материалом, использованным для изготовления второго фильтра, причем второй фильтр является одним из полосно-заграждающего фильтра и полосно-пропускающего фильтра;
фильтруют выходной сигнал первого фильтра с использованием второго фильтра, в результате чего формируется выходной сигнал второго фильтра; при этом
первый материал и второй материал представляют собой разные материалы; и
сочетание первого фильтра и второго фильтров имеет третью группу параметров фильтра, которые определяются как первым материалом, так и вторым материалом; и
первый материал имеет меньшую величину температурного коэффициента по сравнению со вторым материалом, так что первый фильтр имеет меньший температурный дрейф частоты, чем второй фильтр.
| Устройство для межмашинного обмена | 1985 |
|
SU1298756A1 |
