專利名稱：可調(diào)諧多路復(fù)用器的制作方法
相關(guān)申請(qǐng)本申請(qǐng)請(qǐng)求享有特此通過(guò)參照方式結(jié)合到本申請(qǐng)中的2001年4月11日提交的美國(guó)臨時(shí)申請(qǐng)60/283,093的優(yōu)先權(quán)權(quán)益。
另外，本申請(qǐng)與特此通過(guò)參照方式結(jié)合到本申請(qǐng)中的2001年7月13日提交的美國(guó)申請(qǐng)“可調(diào)諧濾波器(Tunable Ferro-electric Filter)”有關(guān)。
背景技術(shù)：
相關(guān)技術(shù)說(shuō)明濾波器，諸如帶通濾波器，被廣泛應(yīng)用于通信與電子領(lǐng)域。例如，在無(wú)線電通信中一個(gè)特定頻段必須容納許多無(wú)線用戶。為了容納這么多的無(wú)線用戶，對(duì)帶通濾波的要求就必須非常嚴(yán)格，因?yàn)樗峁┑念l率分配非常密集。
目前，無(wú)線手機(jī)使用固定調(diào)諧的帶通濾波器(BPF)以滿足它們的濾波規(guī)范。因?yàn)檫@些濾波器必須滿足通帶插入損耗(I.L.)盡可能最小的要求且同時(shí)必須滿足特定的高帶外抑制要求，所以其設(shè)計(jì)非常復(fù)雜。作為特殊的例子，可以考慮PCS CDMA手機(jī)。PCS發(fā)送(TX)頻帶(在美國(guó)為1850-1910MHz)的帶內(nèi)I.L.不應(yīng)大于-3.5dB，而其接收(RX)頻帶(1930-1990MHz范圍)的帶外抑制至少為38.0dB。
而且，這種BPF除了必須滿足這些規(guī)范外，其高度還有最大限制。例如，目前其在手機(jī)中的典型限高是4.0mm或更小。為了滿足這些苛刻的電氣要求且同時(shí)滿足尺寸與高度盡可能最小的要求，通常需要采用由單個(gè)同軸諧振器元件或者整體結(jié)構(gòu)構(gòu)造的高階(＞2階)固定調(diào)諧濾波器。此外，為了滿足帶外抑制要求，通常需要一個(gè)傳輸零點(diǎn)，越靠近頻帶邊緣I.L.就越大。由于陶瓷中的變化以及制造公差，因此廠家在固定調(diào)諧濾波器的制造過(guò)程中必須一個(gè)一個(gè)單獨(dú)地對(duì)它們的特性進(jìn)行調(diào)整，這就增加了成本花費(fèi)。
而且，如果要支持一個(gè)以上頻帶(例如，在美國(guó)、韓國(guó)和印度支持PCS頻帶)，則需要多個(gè)固定調(diào)諧的BPF，因此需要額外的開關(guān)元件且因而引入了附加損耗。即使所用的功率放大器和低噪聲放大器具有足夠的工作帶寬以覆蓋這些頻帶，但仍然需要多個(gè)固定調(diào)諧的BPF。
可調(diào)諧BPF允許在任意特定時(shí)間在多個(gè)頻帶上使用一個(gè)BPF，或者使用低階濾波器以覆蓋寬于所需通帶帶寬的頻帶。為了在可調(diào)諧BPF中提供可調(diào)諧性，通常使用一種能夠提供可變電容的元件。
目前可變電容器的結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)形式有多種。例如，可移動(dòng)平行板結(jié)構(gòu)的電容器很多年以來(lái)一直就被用作家用收音機(jī)的調(diào)諧器。但是，這樣的平行板體積龐大，噪聲高，并且不實(shí)用于現(xiàn)代應(yīng)用。
另一種結(jié)構(gòu)選擇是電子變?nèi)荻O管，它是一種響應(yīng)于外加電壓而調(diào)整電容值的半導(dǎo)體器件。由于變?nèi)荻O管通常有噪聲并且有損耗，尤其是在500MHz以上的應(yīng)用中，所以其不能有效工作于需要高性能的高頻、低損耗的應(yīng)用當(dāng)中。
還有一種結(jié)構(gòu)選擇是微電子機(jī)械開關(guān)(或系統(tǒng))(MEMS)，它是一種微型開關(guān)器件，它可以響應(yīng)外加控制信號(hào)在電容器之間進(jìn)行切換。但是，其造價(jià)昂貴，難以制造并且其可靠性未得到證實(shí)。在大多數(shù)情形下，其提供離散的調(diào)諧，因?yàn)橄到y(tǒng)必須在有限(和少量)數(shù)目的固定電容器之間進(jìn)行選擇。
鐵電可調(diào)諧電容器是人們?cè)?jīng)嘗試過(guò)的另一種結(jié)構(gòu)選擇。鐵電(f-e)材料是一類材料，典型地是陶瓷稀土氧化物，其突出特征在于，它們的介電常數(shù)(k)以及作為結(jié)果的電容率(ε)是響應(yīng)外加的緩變(直流或低頻)電場(chǎng)的變化而改變的。材料的介電常數(shù)(k)和電容率(ε)之間關(guān)系給出如下ε＝kε0其中ε0是真空電容率。當(dāng)前，已知的具有鐵電特性的材料有數(shù)百種之多。在一種典型的鐵電材料中，人們可以得到一個(gè)因數(shù)高達(dá)約3∶1的k值變動(dòng)范圍。產(chǎn)生這樣的k值變化所需的直流電壓取決于被外加以直流控制電壓的鐵電材料的尺寸大小。因?yàn)殍F電材料的介電常數(shù)可變，而電容器的電容值取決于電容器導(dǎo)體附近電介質(zhì)的介電常數(shù)值，所以人們可以使用鐵電材料制造可調(diào)電容器?？烧{(diào)的鐵電電容器通常被實(shí)現(xiàn)為平行板(疊層)電容器、交叉指型電容器(IDC)、或間隙電容器。
在已知的鐵電可變電容器中，在靠近電容器的一個(gè)導(dǎo)體或兩個(gè)導(dǎo)體的地方沉積有一層合適的鐵電材料，如鈦酸鍶鋇BaxSr1-xTiO3(BSTO)。電容值的改變?nèi)Q于施加到鐵電材料上的電場(chǎng)強(qiáng)度和所選鐵電材料的固有特性。通常，在鐵電膜的居里溫度Tc以下，鐵電材料處于鐵電態(tài)并且將呈現(xiàn)滯后響應(yīng)電場(chǎng)改變的特性。在Tc以上時(shí)，鐵電材料處于順電態(tài)并且將不呈現(xiàn)滯后特性。因此，人們通常選取那些其Tc低于預(yù)期工作溫度的鐵電材料，以便使鐵電材料工作在順電態(tài)，從而避免鐵電態(tài)的磁滯效應(yīng)。
但是，傳統(tǒng)的鐵電可變電容器已經(jīng)被證實(shí)因損耗太大而不適用于對(duì)插入損耗敏感的應(yīng)用(如手機(jī))中。另外，這些器件的性能經(jīng)常是不可預(yù)見(jiàn)的，因此阻礙了對(duì)鐵電可調(diào)諧濾波器的優(yōu)化設(shè)計(jì)、構(gòu)造、以及應(yīng)用。
在CDMA技術(shù)中使用雙工器來(lái)分離Tx頻率和Rx頻率，以將它們分入各自的信號(hào)通道。雙工器通常包括兩個(gè)帶通濾波器。每個(gè)濾波器或者用于選通Tx頻率信號(hào)或者用于選通Rx頻率信號(hào)。這些濾波器在一端耦合連接，以形成一個(gè)公共端。該公共端通常被耦合連接到天線或者天線共用器(diplexer)，用以發(fā)送發(fā)射信號(hào)并接收接收信號(hào)。
嚴(yán)格的插入損耗和帶外抑制要求是首要的要求，它影響著在對(duì)損耗敏感的應(yīng)用(例如像無(wú)線手機(jī))中使用的雙工器的設(shè)計(jì)。其它的電氣和機(jī)械規(guī)范也必須得到滿足，例如對(duì)尺寸和高度的要求。
因此，本領(lǐng)域中需要一種其調(diào)諧范圍能夠覆蓋期望的頻率范圍、插入損耗小并且?guī)庖种谱饔脧?qiáng)的改進(jìn)的可調(diào)諧鐵電濾波器以及用于設(shè)計(jì)這種可調(diào)諧鐵電濾波器的方法。這些濾波器進(jìn)而被用于制造可調(diào)諧雙工器。
發(fā)明簡(jiǎn)介在CDMA無(wú)線手機(jī)中，通常需要在雙工器中使用高階(＞3階)濾波器來(lái)滿足對(duì)插入損耗和帶外抑制的嚴(yán)格要求。帶內(nèi)插入損耗要求通常適用于一個(gè)比在任意給定時(shí)間的工作所占用頻率更寬的頻率。這意味著雙工器中使用的固定調(diào)諧濾波器應(yīng)當(dāng)具有與通過(guò)調(diào)諧可覆蓋同一通帶的可調(diào)諧濾波器相比較寬的通帶。因?yàn)榭烧{(diào)諧濾波器可以具有一個(gè)更小的(可調(diào)諧的)通帶，所以它可以是低階的(占據(jù)更少的空間)或者它可以具有更小的插入損耗，或者兩者兼?zhèn)洹?br> 只有在增大可調(diào)諧性不能使雙工器的插入損耗增加太多的時(shí)候，情況才的確如此。本發(fā)明提供了一種鐵電可調(diào)電容器以及電容器和諧振器電路，它使得雙工器可調(diào)諧，并且保持低插入損耗。
因此，本發(fā)明提供了一種低插入損耗的可調(diào)諧雙工器，它體積較小，并且與能夠覆蓋同一通帶的固定調(diào)諧帶通濾波器相比具有較低的插入損耗。無(wú)線手機(jī)節(jié)約的空間可以用于提供其它期望的功能與特性，或者它可用于簡(jiǎn)單地減小手機(jī)的尺寸與重量。另外，插入損耗的節(jié)省可以延長(zhǎng)通話時(shí)間和電池壽命。
附圖的簡(jiǎn)要說(shuō)明

圖1a是鐵電間隙電容器的平面圖。
圖1b是圖1a所示鐵電間隙電容器沿著線A得到的剖面圖。
圖2a是鐵電疊層電容器連同附隨的隔直流電容器的平面圖。
圖2b是圖2a所示疊層電容器中的第一金屬層的平面圖。
圖2c是圖2a所示疊層電容器沿著線B得到的剖面圖。
圖3顯示了圖2a中區(qū)域C的放大視圖。
圖4是鐵電交叉指型電容器的平面圖。
圖5是與可調(diào)鐵電電容器耦合連接的諧振器的示意圖。
圖6是單極可調(diào)諧濾波器的示意圖。
圖7示出了圖6所示單極可調(diào)諧濾波器的平面電路實(shí)施例。
圖8a是具有一個(gè)被配置成能夠補(bǔ)償由調(diào)諧引致的頻率響應(yīng)失真的鐵電電容器的雙極可調(diào)諧濾波器的示意圖。
圖8b是具有兩個(gè)被配置成能夠補(bǔ)償由調(diào)諧引致的頻率響應(yīng)失真的鐵電電容器的雙極可調(diào)諧濾波器的示意圖。
圖9是分壓器網(wǎng)絡(luò)和直流電壓源的示意圖，其用于調(diào)諧圖8b所示能夠補(bǔ)償由調(diào)諧引致的頻率響應(yīng)失真的兩個(gè)鐵電電容器。
圖10示出了圖9所示分壓器網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)具體實(shí)施例。
圖11a是圖8a所示可調(diào)諧濾波器的平面圖。
圖11b是圖11a所示可調(diào)諧濾波器沿著線D得到的剖面圖。
圖12是可調(diào)諧雙工器的示意圖。
圖13是一種可調(diào)諧雙工器的頻率響應(yīng)圖，該雙工器利用片形電容器進(jìn)行輸入、輸出耦合，并且鐵電電容器Q＝180。
圖14是一種可調(diào)諧雙工器的頻率響應(yīng)圖，該雙工器利用片形電容器進(jìn)行輸入、輸出耦合，并且鐵電電容器Q＝450。
圖15是一種可調(diào)諧雙工器的頻率響應(yīng)圖，該雙工器利用集成的間隙電容器進(jìn)行輸入、輸出耦合，并且鐵電電容器Q＝180。
圖16是一種可調(diào)諧雙工器的頻率響應(yīng)圖，該雙工器利用集成的間隙電容器進(jìn)行輸入、輸出耦合，并且鐵電電容器Q＝450。
不同附圖中相同的附圖參考標(biāo)記代表了近似或相同的項(xiàng)目。
本發(fā)明的詳細(xì)說(shuō)明在應(yīng)用于例如像通信系統(tǒng)那樣的電子信號(hào)處理系統(tǒng)中的可調(diào)諧帶通濾波器(BPF)的設(shè)計(jì)過(guò)程中，可調(diào)諧帶通濾波器通常必須符合或優(yōu)于固定調(diào)諧帶通濾波器的帶外抑制、通帶插入損耗(I.L.)兩項(xiàng)要求以及尺寸、重量及其它機(jī)械、環(huán)境與電氣方面的要求。
因此，為了使可調(diào)諧BPF替換固定調(diào)諧BPF在商業(yè)上可行，在大多數(shù)的或所有的電氣性能與機(jī)械性能要求方面，可調(diào)諧BPF的性能都應(yīng)當(dāng)優(yōu)于其所替代的固定調(diào)諧BPF的性能。在要求很高的應(yīng)用(如無(wú)線手機(jī))中，通帶I.L.必須被減低到最小程度以防止給手機(jī)中其它元器件帶來(lái)很大的負(fù)擔(dān)。假如可調(diào)諧BPF具有的I.L.大于其所替代的固定調(diào)諧BPF的I.L.，則增加的I.L.可能給整個(gè)系統(tǒng)性能帶來(lái)太大的負(fù)擔(dān)。通常在如放大器之類的有源器件上的附加負(fù)擔(dān)是最重的。放大器不得不以更大的增益和功率輸出來(lái)克服比現(xiàn)有的固定帶寬濾波器通帶損耗增大的效應(yīng)。
限定說(shuō)明“通帶”的許多定義都是可行的。通帶一般是由帶通濾波器響應(yīng)降落至中頻帶或頻帶中心處的插入損耗(I.L0.)之下3.0dB處的點(diǎn)來(lái)定義的。但是，任意固定濾波器的響應(yīng)都可以用來(lái)定義通帶。高階的(更多諧振器的)帶通濾波器通常需要符合特定的帶外抑制要求。但是，增大濾波器階數(shù)將導(dǎo)致I.L0.增大。下式給出了濾波器階數(shù)與I.L0.之間有用的基本關(guān)系I.L0.=(4.34*Q1/Qu)*Σi=1Ngi---(1)]]>其中N是濾波器階數(shù)，Qu是所用諧振器在無(wú)負(fù)載情況下的Q，Q1＝f0/BW(BW是3dB通帶而f0是頻帶中心頻率)，而gi是給定拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的濾波器元件的值(切比雪夫?yàn)V波器與巴特沃茲濾波器比較)(Chebyshev vs.Butterworth)。
通常，切比雪夫響應(yīng)是優(yōu)選的，因?yàn)閷?duì)于給定的濾波器階數(shù)來(lái)說(shuō)，切比雪夫響應(yīng)給出的抑制響應(yīng)比巴特沃茲濾波器給出的抑制響應(yīng)更加急劇。另外，增加切比雪夫BPF中的紋波(ripple)，將增大其帶外抑制。由公式(1)可知，對(duì)于給定的濾波器階數(shù)N來(lái)說(shuō)，通帶越大將導(dǎo)致I.L0.越小，這是因?yàn)楫?dāng)BW增大時(shí)Q1將減小。減小I.L0.的代價(jià)是選擇性減低了。為了重新恢復(fù)選擇性，則必須增大濾波器階數(shù)N，相應(yīng)代價(jià)是I.L0.。帶通濾波器設(shè)計(jì)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員會(huì)意識(shí)到，公式(1)表示出了為滿足給定系統(tǒng)需要和濾波器階數(shù)所能做的最好事情。使用較高階數(shù)的濾波器(更多給定的無(wú)負(fù)載Q的濾波器)會(huì)快速增加I.L0.，因?yàn)間i值在量值上越來(lái)越大，即使有更多的gi值要累加(增加的N)。注意，公式(1)忽略了實(shí)際應(yīng)用損耗，它會(huì)使I.L0.進(jìn)一步增大，尤其當(dāng)接近頻帶邊緣時(shí)。
由公式(1)可知，使用一階或二階帶通濾波器可減小I.L0.。對(duì)于這些低階濾波器而言，gi系數(shù)的數(shù)目(N)將會(huì)減少并且gi的量值也將減小。為了有可能得到最小化的I.L0.，應(yīng)該由損耗最低(Qu最大)的諧振器構(gòu)造這些低階濾波器。對(duì)于給定的諧振器尺寸和類型(即給定Qu)來(lái)說(shuō)，最終所得到的一階或二階帶通濾波器的I.L0.將總是小于設(shè)計(jì)具有較高階數(shù)的固定調(diào)諧帶通濾波器的I.L0.。這種可調(diào)諧能力允許用低階窄帶BPF替代較寬頻帶的固定調(diào)諧BPF。可調(diào)諧窄帶低階BPF可以克服帶寬較窄的局限而覆蓋整個(gè)感興趣的頻帶。這是基于所期望的信道(信息)帶寬與整個(gè)系統(tǒng)帶寬相比較窄的假設(shè)。
用可調(diào)諧BPF替代固定調(diào)諧BPF的最佳情形是，固定調(diào)諧的BPF覆蓋的系統(tǒng)帶寬大于單個(gè)信道發(fā)送或接受所需的帶寬要求。例如，工作在美國(guó)CDMAPCS頻帶的手機(jī)中的固定調(diào)諧BPF覆蓋了這樣一個(gè)BW。可以理解，對(duì)于美國(guó)的蜂窩CDMA以及許多其它標(biāo)準(zhǔn)而言也都是如此。這里教導(dǎo)的技術(shù)、方法與裝置還可以應(yīng)用于美國(guó)CDMA PCS之外的許多標(biāo)準(zhǔn)。美國(guó)CDMA PCS只是作為一個(gè)例子被討論罷了。
在美國(guó)PCS頻帶中，60MHz被分配用于Tx(1850-1910MHz)，并且60MHz被分配用于Rx(1930-1990MHz)。CDMA標(biāo)準(zhǔn)是一種全雙工系統(tǒng)，即，手機(jī)必須同時(shí)進(jìn)行發(fā)送和接收。為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，就需要用雙工器濾波器以分割頻帶且避免干擾。雖然PCS頻帶寬度為60MHz，但單個(gè)的CDMA信道的寬度只有1.25MHz。但是，當(dāng)前的系統(tǒng)架構(gòu)迫使CDMAPCS帶通濾波器和多路復(fù)用器(包含雙工器)具有BW≥60MHz，因?yàn)樵撓到y(tǒng)必須在任意60MHz的頻寬區(qū)域內(nèi)允許并且容納任意的1.25MHz信道的操作。
通過(guò)滿足最壞情況抑制規(guī)范同時(shí)提供具有占用物理面積較小的簡(jiǎn)單拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的低階BPF，可調(diào)諧PCS頻帶濾波器就可以改變這種情況。由于公式(1)的原因，這種低階濾波器應(yīng)具有較低的I.L0.。
為了有效地利用低階可調(diào)諧BPF替代高階固定調(diào)諧BPF，應(yīng)當(dāng)考慮三個(gè)因素。首先，低階BPF的帶寬(即Q1)和選擇的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)必須滿足最壞情形下的抑制規(guī)范。因?yàn)镼1＝f0/BW，當(dāng)3dB帶寬(BW)減小時(shí)，I.L.增大。因此，如果BW與f0相比太小，則最終得到的BPF將具有很高的I.L.，不能被接受，所以就需要在BW與I.L.之間尋求折衷。對(duì)于實(shí)際設(shè)計(jì)而言，低階可調(diào)諧BPF應(yīng)當(dāng)具有盡可能最低的I.L.，并且要滿足最壞情況所需的抑制要求。一些拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是優(yōu)選的，它們天然地具有低側(cè)(低于發(fā)射頻帶)零點(diǎn)或高側(cè)(高于發(fā)射頻帶)零點(diǎn)。如圖10所示的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)能夠提供較低的通帶I.L.，這是因?yàn)樵揃PF的Q1較小(因?yàn)閹捿^大)或者紋波(表現(xiàn)為相應(yīng)的切比雪夫BPF的g1項(xiàng))較小或者兩者兼?zhèn)涞木壒?。傳輸零點(diǎn)提供了在特定頻率范圍內(nèi)額外需要的抑制。
其次，低階可調(diào)諧濾波器必須能調(diào)諧以覆蓋整個(gè)BW，就像使用固定調(diào)諧的濾波器那樣。最后，在低階可調(diào)諧濾波器中使用的可調(diào)電容器具有的損耗應(yīng)當(dāng)足夠小，以使得到的濾波器所具有的I.L.符合或優(yōu)于規(guī)范。盡管與較高階數(shù)(N＞2)的固定調(diào)諧帶通濾波器設(shè)計(jì)相比，可調(diào)諧的一階或二階帶通濾波器將能具有最小化的附加損耗，但是可調(diào)元件(可變的鐵電電容器)必須具有快速調(diào)諧機(jī)理并且能夠利用有效的調(diào)諧電壓來(lái)調(diào)諧以覆蓋整個(gè)帶通范圍。
無(wú)論是否可調(diào)諧，電容器的總損耗Lt都由其消耗能量與存儲(chǔ)能量的比值給出，其中能量是存儲(chǔ)在電場(chǎng)中而消耗在電阻上的，即Lt＝(消耗能量)/(存儲(chǔ)能量)?？倱p耗Lt的倒數(shù)就是品質(zhì)因子。對(duì)于一個(gè)電容器而言，Lt可以由量度(ω*Rs*C)給出，其中ω是角頻率；Rs是電容器的總串聯(lián)電阻；而C是電容器的電容值。
由下式可以看出確定鐵電電容器在諧振器電路中所給出的總損耗的重要性Lc＝1/Qc并且1/QT＝1/Qc+1/Qu，其中，Lc＝電容器的損耗；QT＝鐵電電容器和所結(jié)合的諧振器或電感器的總Q；Qc＝電容器的Q；而Qu＝無(wú)負(fù)載的諧振器的Q或者是用于產(chǎn)生平行諧振電路的電感器的Q。
當(dāng)Qc增大時(shí)，其對(duì)QT的影響將越來(lái)越小。假如Qc無(wú)限大，則它將不會(huì)對(duì)QT產(chǎn)生影響。實(shí)際應(yīng)用時(shí)，假使Qc近似等于10*Qu則可認(rèn)為它不會(huì)對(duì)QT產(chǎn)生影響。反之亦然。當(dāng)Qu相比于Qc變得越來(lái)越大時(shí)，Qu對(duì)QT產(chǎn)生的影響將越來(lái)越小。在兩種情形中，理想的是能夠得到最高的實(shí)際可行的Qc。
例如，對(duì)于在PCS頻帶中使用的一個(gè)有用的例子來(lái)說(shuō)，對(duì)于1.0pF的可調(diào)諧電容器而言若想在2.0GHz處具有Qc＝250，則需要Rs為.32Ω(歐姆)。為了最小化損耗(得到一個(gè)小的Rs)，則需要估計(jì)當(dāng)前存在的全部損耗機(jī)理并且如有可能應(yīng)消除這些損耗機(jī)理。
對(duì)于鐵電器件，通過(guò)累加各種來(lái)源的損耗得到總損耗，如下所示Lt＝Lgeom+Lattach+Lmetal+Lsub+Lrad+Lmeas+Lf-e；其中Lgeom是由電容器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)引起的，Lattach是由器件連接引起的損耗，
Lmetal是總金屬損耗，Lsub是基底損耗(如果有的話)，Lrad是輻射損耗，包含所期望的和非所期望的兩部分，Lmeas是由測(cè)量誤差引起的總損耗，而Lf-e是鐵電損耗角正切。
這種損耗分配首先可以用于通過(guò)使用鐵電電容器的方法而獲取在所期望工作頻率處的Lf-e(或鐵電tanδ)精確值。為了精確導(dǎo)出Lf-e，必須消除或抑制上述的所有其它損耗貢獻(xiàn)來(lái)源。例如，Lgeom值依據(jù)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的不同而變化，疊層電容器的最好，間隙電容器的較差，而交叉指型電容器的則更差。盡管可以減少與控制這種損耗，但它是器件所固有的一種損耗。因此，為特定的鐵電電容器選擇的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)將會(huì)影響到該鐵電電容器可能達(dá)到的最佳Qc值。假定鐵電膜是無(wú)損耗的，則由電磁(EM)軟件可以構(gòu)建出所期望的幾何結(jié)構(gòu)的基線損耗。這種基線損耗代表了給定幾何結(jié)構(gòu)的最佳(最低)損耗。
通常，間隙電容器最容易制造。制造IDC的容易度次之，而在這三種電容里疊層電容器的制造最難。與IDC相比，間隙電容器具有較好的Q特性但是其單位截面積(圖1a中的W)的電容值較低。IDC的電容較大，這是因?yàn)槠湓趩挝唤孛娣e上設(shè)置使用了多個(gè)指狀部分的緣故。但是，對(duì)于許多通信濾波器應(yīng)用而言，并不需要大電容(C≥4.0pF)。因此，通常用間隙電容器就可以提供足夠的電容。大多數(shù)鐵電膜固有的k值很高，這有助于提供與傳統(tǒng)間隙電容器相比較高的單位截面積(W)的電容。
Lattach是由分立器件的連接技術(shù)引起的，例如其包括焊接、銀粉漆(silver paint)、或引線接合(wire bonding)。這些連接損耗可能會(huì)很大并且不可預(yù)知。用鐵電電容器直接制造諧振器或其它射頻電路可實(shí)現(xiàn)損耗最小，因此即使不能消除這種損耗元件，也可以使損耗最小化。
單個(gè)獨(dú)立的鐵電電容器的固有損耗的影響很小。具有較大影響的是那些將鐵電電容器連接到電路上的連接方法引致的附加損耗。即使鐵電電容器是無(wú)損耗的，但可能因使用了大損耗的連接方式，而整體上體現(xiàn)為有損耗的鐵電器件。例如，假設(shè)期望1.0pF的電容在2.0GHz處Q≥250，則總串聯(lián)電阻Rs必須≤0.32歐姆。因此任何附加損耗都將會(huì)進(jìn)一步減小這個(gè)電容器的Q值。這種附加損耗是否來(lái)源于實(shí)際電容器之外是無(wú)關(guān)緊要的。甚至無(wú)法避免的損耗機(jī)理，例如像由安裝引起的那類情形，由于其對(duì)系統(tǒng)有影響因而也會(huì)降低電容器的有效Q值。
為了使附加損耗最小化，應(yīng)當(dāng)使鐵電膜和諧振器之間的連接具有最小的附加電阻。這樣，與鐵電電容器有關(guān)的電流、電荷將遭遇的附加損耗最小。傳統(tǒng)的接合或安裝技術(shù)，如(但不局限于)焊接、引線接合或銀粉漆或粘貼，不提供這種低損耗、可控制的接合要求。
因使用了這些接合方法而引起的附加的、不可預(yù)知的損耗降低了所實(shí)現(xiàn)的Q，而無(wú)論鐵電電容器是否用于諧振器調(diào)諧的目的或者用于鐵電膜的表征。因此，為了獲得最佳性能(損耗最小)，應(yīng)當(dāng)將鐵電電容器的結(jié)構(gòu)直接地制造到用于調(diào)諧的諧振器上或者與用于調(diào)諧的諧振器一起制造，或者制造到其它的基本射頻電路上。只有通過(guò)直接制造，電磁(EM)源(電流)由鐵電調(diào)諧元件到諧振器的過(guò)渡才可以損耗最小。通過(guò)減少銳角轉(zhuǎn)角或過(guò)渡可以增強(qiáng)直接地制造到諧振器上或者與諧振器一起制造的鐵電電容器的所需效果。
Lmetal的因子包括金屬的表面粗糙度(SR)、金屬厚度與趨膚深度δs之比，以及電導(dǎo)率。設(shè)若工作頻率在L與S波段(1-4GHz)則SR的均方根值(rms)小于約10微英寸就可以有效消除SR因子的影響。設(shè)若金屬厚度等于或大于1.5δs，就可以減小金屬厚度因子的影響；或者設(shè)若金屬厚度≥5δs，就可以有效地消除金屬厚度因子的影響。對(duì)電極接頭來(lái)說(shuō)，金屬厚度(tm)近似等于1.5δs。對(duì)于電磁諧振器的情形，由于其中必須支持行波或駐波，即，承受行波或駐波的金屬的延長(zhǎng)值相當(dāng)于波長(zhǎng)值的一部分(約10％或更多)，所以金屬厚度應(yīng)當(dāng)近似約為5δs或更大。
Au、Cu或Ag的電導(dǎo)率特性最好。因此，可以減小或控制Lmetal，但不能消除Lmetal因子影響。但是，可以通過(guò)本領(lǐng)域普通技術(shù)人員公知的公式計(jì)算出電導(dǎo)率的作用效應(yīng)，或者通過(guò)使用應(yīng)用于通常使用的電路仿真器中的線性計(jì)算器工具，如Eagleware或Touchstone，計(jì)算出電導(dǎo)率的作用效應(yīng)。而且，精確的制造控制可以將Lmetal中的幾何變化量限定在特定的范圍內(nèi)。
通過(guò)選擇在感興趣的工作頻率上損耗角正切小于0.001且優(yōu)選地小于0.0005的低損耗襯底可以將Lsub代表的損耗貢獻(xiàn)作用降低到最小程度。合適的材料包括純度＞99％的鋁，目前這是損耗費(fèi)用比的最佳選擇。藍(lán)寶石或MgO優(yōu)于鋁，因?yàn)樗鼈兙哂懈偷膿p耗角正切，但是它們更加昂貴。所有這些材料將能接納多種鐵電薄膜而不需要過(guò)渡層，并且具有可以接受認(rèn)可的表面粗糙度，幾乎不需要進(jìn)一步的打磨拋光。半導(dǎo)體襯底是較差的選擇，因?yàn)樗鼈兙哂邢鄬?duì)較高的電導(dǎo)率。除了損耗角正切、表面粗糙度和價(jià)格因素之外，合適的襯底應(yīng)當(dāng)是不易破碎的，可以被制造成較大面積的晶片，并且可以很容易地被金屬化而無(wú)需大量的預(yù)處理。
通過(guò)使用EM場(chǎng)或電路仿真軟件，可以實(shí)現(xiàn)將Lsub從復(fù)合襯底(鐵電膜加襯底)的總損耗中分離出來(lái)。例如，可以使用Sonnet、Momentum、或IE3D。因此，可以顯著減小Lsub并且精確計(jì)算出Lsub。
通過(guò)適當(dāng)屏蔽和設(shè)計(jì)可以消除Lrad，因此Lrad不是典型的通常要考慮的損耗因子。應(yīng)當(dāng)注意，各種各樣的濾波器，尤其是諸如結(jié)合線(combline)式或發(fā)夾式那樣的平面型濾波器，依靠輻射耦合以實(shí)現(xiàn)它們所期望的性能。在這些情形中，應(yīng)當(dāng)保證即使不能消除也要減小不希望要的、散射的耦合。
Lmeas會(huì)顯著增加電路的損耗誤差，這是因?yàn)樾〉?、附加的損耗使待測(cè)器件(DUT)或系統(tǒng)的測(cè)得Q值顯著減小，從而偏離了DUT固有的Q值。測(cè)量材料的介電常數(shù)與損耗角正切的傳統(tǒng)方法是本領(lǐng)域普通技術(shù)人員所公知的空腔擾動(dòng)技術(shù)。但是，在L-波帶，空腔的尺寸大小變得相當(dāng)大。當(dāng)表征具有≤1.5μm膜厚的薄膜(與塊相對(duì))如鐵電膜時(shí)，測(cè)量誤差很大因此問(wèn)題變得非常尖銳。而且，應(yīng)當(dāng)按照最接近于其適用的方式來(lái)表征鐵電電容器(或?yàn)V波器)。因此，表征鐵電化合物或鐵電膜的優(yōu)選途徑是采用微帶諧振器技術(shù)。
為了確定鐵電膜的特性并且表征鐵電電容器，優(yōu)選地使用微帶技術(shù)，例如帶狀線或者其它用于表征鐵電膜的體積測(cè)定技術(shù)，其理由如下1)微帶電路是不帶有頂覆蓋層的平面系統(tǒng)，因此不需要接合硬質(zhì)襯底以作為頂覆蓋層。所以也就不需要例如在帶狀線中所需的接地板(從頂部到底部)的連續(xù)性。
2)使優(yōu)選的間隙電容器或作為備選的交叉指型電容器的制造與檢測(cè)變得更加容易。
3)現(xiàn)有的表征微帶諧振器的技術(shù)方法有很多。
4)不需要復(fù)雜的固定或制造或兩者都不需要，而這些則是例如介電腔所需要的。
應(yīng)該利用諧振器技術(shù)測(cè)量高Q電路，因?yàn)閷拵y(cè)量可能無(wú)法精確地以一定精度解決在射頻/微波頻段的子歐姆(sub-ohm)電阻損耗問(wèn)題。由于同樣的理由，LRC計(jì)也不是一個(gè)好的選擇。
由于低頻測(cè)量，尤其是那些低于約10-100MHz的頻率測(cè)量，是由分流所述電容器的大阻值并聯(lián)電阻Rp主導(dǎo)的，因此需要在射頻區(qū)段進(jìn)行測(cè)量以正確地為鐵電電容器獲取Rs以及相應(yīng)的Q。Rp的主導(dǎo)作用，連同相對(duì)較小的所討論電容器的電容值(≤4.0-5.0pF)都會(huì)妨害低頻區(qū)段的可靠Q(且因此Rs)測(cè)量。
當(dāng)用于測(cè)量損耗時(shí)，必須謹(jǐn)慎使用晶片探針臺(tái)，因?yàn)榫结樑_(tái)難以校準(zhǔn)去除在射頻/微波頻段的電阻性與電感性損耗。探針頂尖及其接地連接對(duì)DUT上的位置以及施加到DUT上的壓力也非常敏感。因此，最好使用能夠直接測(cè)量所要各種參數(shù)的諧振測(cè)試電路，而不必進(jìn)行單獨(dú)的器件損耗測(cè)量。
因此，為了測(cè)量諧振電路，優(yōu)選使用網(wǎng)絡(luò)分析儀。為了將測(cè)量損耗減低到最小程度并獲取最精確的測(cè)量結(jié)果，應(yīng)當(dāng)校準(zhǔn)去除DUT的損耗，對(duì)網(wǎng)絡(luò)分析儀執(zhí)行一個(gè)全兩端校準(zhǔn)，并且在校準(zhǔn)和測(cè)量中使用求平均值算法。最后，需要對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行正確分析以析取被測(cè)電容器的Q或損耗，例如“Data Reduction Method for Q Measurements of Strip-LineResonators”，IEEE Transactions in MTT，S.Toncich and R.E.Collin，Vol.40，No.9，Sept.1992，pp.1833-1836(S.Toncich和R.E.Collin的“用于帶狀線諧振器Q值測(cè)量的數(shù)據(jù)處理方法”，MTT中的IEEE學(xué)報(bào)，第40卷，第9期，1992年9月，第1833-1836頁(yè))論文中概要所述，該論文在此通過(guò)引用而包含在本文內(nèi)。
利用上述討論結(jié)果對(duì)前述各種損耗進(jìn)行最小化、消除或限制之后，則總損耗可重新表達(dá)為L(zhǎng)t＝Lgeom+Lmetal+Lf-e+ΔLmisc
如上所論，通過(guò)分析可以量化和去除Lgeom及Lmetal?；阼F電材料無(wú)損耗的假設(shè)，通過(guò)對(duì)電路進(jìn)行精確的電磁仿真就可以確定Lgeom。設(shè)定電導(dǎo)率、表面粗糙度SR(如果適用)與趨膚深度，則就可以根據(jù)金屬損耗公式確定Lmetal。最后一項(xiàng)ΔLmisc表示對(duì)Lgeom和Lmetal或二者進(jìn)行限定抑制或不徹底清除后仍不能完全去除的其它損耗機(jī)理的組合項(xiàng)。這樣它就表示了不能縮減的誤差項(xiàng)。為了精確檢測(cè)鐵電膜/元件的特性，應(yīng)當(dāng)將其最小化并局限在一定界限內(nèi)，如前面部分所記述的那樣。
最后，為了將Lf-e的影響減低到最小程度，則必須選擇性地僅將鐵電膜沉積形成在調(diào)諧所需要的區(qū)域，除此之外不沉積鐵電膜。
處理所有損耗機(jī)理和消除或限定這些損耗的方法不僅可以確定鐵電損耗，而且還可以建立正確的設(shè)計(jì)指南以用于低損耗可調(diào)諧濾波器的設(shè)計(jì)。對(duì)Lf-e的認(rèn)知使設(shè)計(jì)者可為各種類型采用鐵電膜的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供必要的鐵電膜基線。例如，這種認(rèn)知對(duì)于有效地折中損耗角正切以換取可調(diào)諧性是必要的。簡(jiǎn)而言之，精確的制造與測(cè)量方法可使得鐵電膜損耗特性一致、應(yīng)用一致。
已知上述技術(shù)用于使損耗最小化，現(xiàn)在討論三種類型的鐵電電容器的優(yōu)選實(shí)施例。應(yīng)當(dāng)明白，盡管這些設(shè)計(jì)是用于L頻帶(1-2GHz)，但是由本發(fā)明給出的技術(shù)教導(dǎo)可以用來(lái)設(shè)計(jì)工作于其它頻帶的鐵電電容器。
圖1a與1b所示的優(yōu)選的鐵電可調(diào)諧間隙電容器10工作于無(wú)線手機(jī)使用的蜂窩頻帶(800-1000MHz)和L-頻帶(1-2GHz)。間隙電容器10優(yōu)選地形成于純度≥99％、厚度為0.5-1.0mm的鋁、MgO、或者藍(lán)寶石襯底12上，其具有的S.R.小于5.0微英寸RMS?？蛇x地，間隙電容器可以直接被構(gòu)圖形成在任意數(shù)目的諧振器結(jié)構(gòu)的前面或后面或側(cè)壁上。其例子是同軸的、整塊(monoblock)的或帶狀線(stripline)的諧振器。構(gòu)造這樣一種電容器時(shí)應(yīng)當(dāng)盡量使其電連接點(diǎn)靠近諧振器。
依據(jù)其它需求，襯底12可以具有一個(gè)金屬接地平面14。但是，為了將寄生電容減低到最小程度，優(yōu)選的實(shí)施例是沒(méi)有接地平面的。優(yōu)選地，為了使電容以及調(diào)諧范圍最大化，鐵電層16是由厚度約0.1-2.0微米的BSTO或者其它合適的或所需的鐵電材料沉積在襯底12上形成的。更優(yōu)選地，鐵電層16的厚度約為0.5-1.0微米。通過(guò)與其它成分摻雜、組成合金或者混合和/或退火的Ba/Sr分?jǐn)?shù)(fraction)可以確定所需的調(diào)諧特性和損耗(tanδ)，以及因此得到的Q值。
通常，調(diào)諧特性優(yōu)選地滿足利用最小調(diào)諧電壓的最小必所調(diào)諧范圍的要求。不論摻雜何種其它元素以及是進(jìn)行前處理退火或是后處理退火，優(yōu)選地，BaxSr1-xTiO3化合物中x＝0.5，工作在室溫下。顯然除了BSTO之外還可以使用其它種類的鐵電材料。形成在鐵電層16上的金屬層18定義出了間隙20，間隙的寬度優(yōu)選為3.0-5.0微米。優(yōu)選地，金屬層18厚度為0.5-6.0微米。更優(yōu)選地，金屬層18厚度為1.5-2.5微米。顯然根據(jù)實(shí)際需要與加工設(shè)備的實(shí)際情形，間隙20可以比這個(gè)范圍更寬或更窄些。為了最小化PCS頻帶中的附加損耗，最終得到的電容值在0伏特直流電壓作用下近似為0.6pF-1.5pF，而對(duì)于蜂窩CDMA頻帶這個(gè)值近似為1.0pF-3.0pF。基于所使用的特定鐵電膜以及所需的間隙20，電容器的寬度W17將進(jìn)一步確定鐵電電容值。該寬度典型地為.25mm-2.0mm。電容值典型地為0.6pF-3.0pF。為了滿足最壞情形下CDMA PCS頻帶BPF損耗的規(guī)范，最終得到的電容器在2.0GHz處的Q值應(yīng)當(dāng)至少為160。
為了將由鐵電膜引起的附加損耗減小到最小程度，必須有選擇地進(jìn)行沉積，即只在如上所述需要調(diào)諧的地方沉積形成鐵電膜，而不在其它地方沉積形成鐵電膜。例如，在圖1a的間隙電容器20中，可以在如圖1a所示的間隙20周圍的狹窄區(qū)域Df-e中沉積形成所需的鐵電膜16。Df-e應(yīng)當(dāng)足夠大以確保間隙20在制造過(guò)程中可以重復(fù)構(gòu)圖形成在鐵電膜之上(允許掩模的調(diào)整容限)，并且出于調(diào)諧的目的，Df-e應(yīng)當(dāng)足夠大以覆蓋間隙20之下的必要區(qū)域。對(duì)于L-頻帶PCS濾波器，Df-e＝0.2-0.5mm就已足夠并且優(yōu)選地等于0.2mm。Df-e隨著工作頻率的增大而減小。若工作頻率減小，則Df-e增大。
鐵電膜的屬性與構(gòu)造對(duì)于整個(gè)電容器損耗起著至關(guān)重要的作用。已知有很多種減小與最小化鐵電膜損耗的技術(shù)方法。鐵電膜的一個(gè)特點(diǎn)在于，鐵電膜損耗與可調(diào)諧性通常呈現(xiàn)相反的關(guān)系。即，通常必須對(duì)它們兩者進(jìn)行折中。鐵電的k調(diào)諧范圍越大，則在多數(shù)情況下鐵電損耗也越大。
因此，盡管鐵電材料的k調(diào)諧變化范圍可以達(dá)到約3∶1，但對(duì)于特定的濾波器應(yīng)用而言，較小的調(diào)諧變化是可以接受的。在該情況下，若選擇較小的調(diào)諧變化量，則損耗也較小。例如，在美國(guó)的PCS CDMA頻帶中，發(fā)射頻帶的調(diào)諧需求是從1850MHz到1910MHz或者約4％。因此，鐵電材料可以具有顯著小于3∶1的可調(diào)諧特性。
例如，在0V直流偏壓下電容為0.6pF的鐵電間隙電容器需要調(diào)諧33％(從0.6pF下調(diào)到0.4pF)以調(diào)諧覆蓋PCS發(fā)射頻帶。實(shí)際調(diào)諧范圍取決于BPF的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)以及BPF所需的調(diào)諧占用頻帶。在本實(shí)施例中，提供33％調(diào)諧需要的調(diào)諧電壓取決于鐵電電容器的幾何結(jié)構(gòu)和鐵電膜特性，幾何結(jié)構(gòu)特性包含鐵電膜的厚度。
頻率可調(diào)諧性的k可調(diào)諧性效應(yīng)是由濾波器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)決定的。這種效應(yīng)還必須考慮對(duì)鐵電材料的選擇。只有精確表征鐵電損耗與鐵電k可調(diào)諧性的折中，設(shè)計(jì)者才能選擇出最佳的鐵電材料。精確表征這種折中使得設(shè)計(jì)者能夠選擇出最佳的鐵電材料(具有最小的損耗同時(shí)滿足調(diào)諧要求)。
關(guān)于間隙電容器的Lgeom，導(dǎo)致?lián)p耗的主要原因在于間隙形成的四角。通過(guò)使這四角變圓可以減小這些損耗。
與間隙電容器和交叉指型電容器相比，疊層電容器具有的Lgeom最小。疊層電容器是平行板電容器幾何結(jié)構(gòu)的一個(gè)例子，但其中板尺寸(長(zhǎng)度和寬度)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于板間距。給定這樣一種幾何結(jié)構(gòu)，板之間形成的電場(chǎng)除了邊緣處出現(xiàn)邊緣現(xiàn)象之外大部分是均勻的。正如本領(lǐng)域普通技術(shù)人員所公知的那樣，通過(guò)使用保護(hù)頻帶可以顯著地減小邊緣效應(yīng)。因此，平行板電容器的幾何損耗非常小。此外，平行板幾何結(jié)構(gòu)可以提供大電容并且提供了由控制電壓的小幅度變化實(shí)現(xiàn)的大幅度調(diào)諧。
優(yōu)選的疊層電容器30如圖2a、2b、2c和圖3所示，其將Lgeom的損耗貢獻(xiàn)減低到了最小程度。電容器30直接沉積在25mil(毫英寸)厚的鋁襯底31上。第一金屬層34接合在襯底31上。金屬層34的形狀也在圖2b中示出。鐵電層36覆蓋在金屬層34上。為了構(gòu)成疊層電容器30，在鐵電層36上形成的金屬襯墊(pad)40覆蓋了第一金屬層34的一部分。圖3顯示了該疊層區(qū)域的放大視圖。金屬襯墊40和金屬層34都具有一個(gè)錐形區(qū)域，其構(gòu)成具有適當(dāng)電容值的疊層電容器30。另一個(gè)金屬襯墊41覆蓋金屬層34以構(gòu)成隔直流電容器42。金屬襯墊41是錐形的，以構(gòu)成具有適當(dāng)電容值的隔直流電容器42。
由于使用的鐵電膜大都具有很高的介電常數(shù)(k)，所以疊層電容器30在面積上可能非常小而盡管如此卻可以提供1.5pF的電容(Cf-e)。接合的偏壓襯墊44被提供用于連接具有很高值(500-1000kΩ)的片狀電阻器。注意鐵電膜不僅沉積在疊層電容器30之下而且還沉積在隔直流電容器42之下。但是，若CDC≥180pF且Cf-e≤1.5pF，則即使在最大值VDC偏壓(優(yōu)選為10VDC)作用下，隔直流電容器42對(duì)電容(CDC)的作用影響仍可以忽略不計(jì)。這是因?yàn)楦糁绷麟娙萜骶哂械碾娙葑銐虼?，甚至?dāng)電容在鐵電調(diào)諧作用下被減小時(shí)，對(duì)Cf-e的作用影響仍是最小的。
在這樣一個(gè)實(shí)施例中，0.7pF≤Cf-e≤1.5pF，鐵電k近似為1000，構(gòu)成疊層電容器30的金屬襯墊40的疊層區(qū)域大致為7.0μm×7.0μm，并且鐵電膜的厚度約為1.0μm。金屬層34可以是Pt的并且具有≤0.5μm的厚度。金屬襯墊40與41可以是Ag的并且具有約為1.5-2.5μm的厚度。
雖然疊層電容器的Lgeom小于間隙電容器的，但疊層電容器的Lf-e卻較大，因?yàn)樗械纳漕l場(chǎng)都集中在鐵電膜上。在間隙電容器中，射頻場(chǎng)部分在空氣中，部分在鐵電膜中還有一部分在襯底中。同理，對(duì)于特定的外加電壓，疊層電容器具有與間隙電容器相比較大的電容可調(diào)諧性。
對(duì)于一個(gè)給定的截面區(qū)域，IDC可以提供與間隙電容器相比較大的電容。但是，它的損耗較大，對(duì)Lgeom的主要貢獻(xiàn)包括間隙間隔；隨著間隙間隔減小損耗逐漸增大。類似地，隨著指狀部分寬度減小損耗逐漸增大。指狀部分長(zhǎng)度也會(huì)影響損耗，隨著指狀部分長(zhǎng)度增大損耗逐漸增大；尤其在采用微帶(最常見(jiàn)的)技術(shù)實(shí)現(xiàn)的IDC中，在這種結(jié)構(gòu)配置中奇模損耗占優(yōu)勢(shì)。另外，由于附加的銳角轉(zhuǎn)角引致?lián)p耗，因此損耗隨著指狀部分的數(shù)目的增大而增大；注意，增大指狀部分的數(shù)目是增大IDC電容的常用手段。鐵電領(lǐng)域的許多研究者都曾使用具有較窄指寬和間隙(每個(gè)都≤5.0μm)的IDC來(lái)表征鐵電膜的特性。但這是有問(wèn)題的，因?yàn)檫@種IDC結(jié)構(gòu)帶來(lái)了較高的Lgeom且因此導(dǎo)致其自身的Q值較低。典型地，即使不帶有任何Lf-e，在2.0GHz處約1.0pF對(duì)應(yīng)的Q≤100。這使得Lf-e的測(cè)定變得非常困難。應(yīng)用如上所述的廣泛使用的寬帶測(cè)量技術(shù)，將進(jìn)一步增大任何Lf-e的測(cè)定難度。
圖4所示的優(yōu)選的IDC電容器60將對(duì)Lgeom的貢獻(xiàn)減低到了最小程度。該電容器形成在99％的鋁、MgO、藍(lán)寶石或者其它的適當(dāng)材料的襯底62上，襯底62的厚度約為0.2-1.5mm。鐵電層64形成在襯底62上。輸入端口66和輸出端口68耦合到IDC電容器60。厚度為1.5-3.0微米的金屬層70被沉積在鐵電層64上，以形成間隔大約為5.0微米的間隙間隔72以寬度70約為150微米或更大的指狀部分。
現(xiàn)在對(duì)構(gòu)造可調(diào)諧帶通濾波器的常規(guī)方法進(jìn)行說(shuō)明。第一步，設(shè)計(jì)者必須對(duì)可調(diào)諧濾波器的3dB帶寬和濾波器階數(shù)進(jìn)行折中以達(dá)到所需的帶外抑制要求。眾所周知，隨著濾波器階數(shù)的增大，濾波器的衰減(rolloff)速度也隨之增大，因此濾波器很容易實(shí)現(xiàn)所需的抑制規(guī)范。衰減被模擬為從定義出3dB帶寬(BW)的3dB點(diǎn)處開始。因此，隨著BW的減小，則達(dá)到所需的抑制規(guī)范也就變得很容易了。
為了使損耗最小化，需要使濾波器具有最低的階數(shù)。典型地，濾波器是二階BPF。低階BPF的優(yōu)點(diǎn)還在于，其易于制造和調(diào)諧，并且使用了較少的可調(diào)諧諧振器。
切比雪夫型BPF與巴特沃茲型相比是優(yōu)選的，因?yàn)樗o了設(shè)計(jì)者折中通帶紋波和帶外抑制的靈活性。設(shè)計(jì)者應(yīng)當(dāng)著重解決通過(guò)沒(méi)有額外傳輸零點(diǎn)的帶寬調(diào)整來(lái)滿足最壞情況的抑制規(guī)范問(wèn)題，因?yàn)閭鬏斄泓c(diǎn)會(huì)增大濾波器的復(fù)雜度、費(fèi)用以及通帶邊緣處的相應(yīng)損耗。但是，也可以通過(guò)開發(fā)研究自然具有高側(cè)或低側(cè)傳輸零點(diǎn)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)來(lái)解決最壞情況的抑制規(guī)范問(wèn)題。
但是，若將BW設(shè)定的太窄，則如上所述將使得插入損耗增大。因此，可選擇的最窄BW應(yīng)當(dāng)滿足在所有特定工作條件下必需的抑制規(guī)范。假如選定的BW帶來(lái)了不可接受的插入損耗，則應(yīng)當(dāng)增大BW，也許會(huì)需要增大濾波器階數(shù)或者增大通帶紋波(在允許范圍內(nèi))。如有必要可以加上附加的高側(cè)或低側(cè)傳輸零點(diǎn)。
可調(diào)諧BPF需要控制電路。與不需要控制電路的固定調(diào)諧BPF相比，這是一項(xiàng)增加的費(fèi)用。因此，與固定調(diào)諧BPF相比，所期望的可調(diào)諧濾波器設(shè)計(jì)應(yīng)當(dāng)具有相比較低的插入損耗、較小的尺寸或其它優(yōu)點(diǎn)，這樣才能抵償上述費(fèi)用增加。為了實(shí)現(xiàn)較小的插入損耗和較小的尺寸，優(yōu)選地使用不超過(guò)一階或二階的可調(diào)諧濾波器。但是，顯然本發(fā)明的原理可被極為有利地應(yīng)用到設(shè)計(jì)任意階數(shù)的可調(diào)諧鐵電濾波器上。
如果給定濾波器階數(shù)的選擇和滿足抑制要求的BW，則所使用的諧振器具有的最大可能的Qu應(yīng)當(dāng)符合或優(yōu)于必需的I.L.以及特定的尺寸和高度限制要求。為了定義Qu，應(yīng)為圖5所示的基級(jí)(basic stage)100選擇拓?fù)洳季?。每個(gè)基級(jí)100都是由諧振器102耦合連接鐵電電容器104而構(gòu)成的?？梢詫㈣F電電容器104的類型假定為這里所述的多種型式中的一種。所示的諧振器102是一個(gè)接地的四分之一波長(zhǎng)諧振器，但也可以使用開路的二分之一波長(zhǎng)諧振器。另外，諧振器也可以具有其它合適的電長(zhǎng)度。
基級(jí)100可被理解為可調(diào)諧的EM諧振器。鐵電電容器104與諧振器102之間既可以串聯(lián)耦合也可以并聯(lián)耦合，這由它們的連接特性確定。如圖6所示，鐵電電容器104與諧振器102并聯(lián)耦合，因此鐵電電容器104的Qf-e影響了固定調(diào)諧的EM諧振器102的Q。容量諧振器(Volumetricresonator)(例如，同軸諧振器、帶狀線諧振器或整體(monoblock)諧振器)是優(yōu)選的，因?yàn)榕c平面諧振器即備選的微帶諧振器相比，它們具有最高的Qu和最小的面積與高度，價(jià)格被減低到了最小程度。
究竟可調(diào)電容器與容量諧振器是以串聯(lián)方式還是以并聯(lián)方式配置通常是由實(shí)際連接情況確定的；有時(shí)只能采用一種配置方式。在確定采用串聯(lián)方式還是并聯(lián)方式配置可調(diào)電容器時(shí)，另一個(gè)需要重點(diǎn)考慮的是最小的附加損耗，或者在較低的程度上，是調(diào)諧范圍。并聯(lián)連接典型地將產(chǎn)生與串聯(lián)相比體積更加緊湊致密的可調(diào)諧濾波器。其通常易于實(shí)現(xiàn)。在電磁耦合諧振器(例如整體諧振器、同軸諧振器、或帶狀線諧振器)沿其整個(gè)延伸長(zhǎng)度耦合(而不是通過(guò)小孔耦合)的條件下，串聯(lián)可以提供更好的調(diào)諧效果。從制造角度考慮，串聯(lián)在這些情況下是一種更自然的選擇。
如上所述，如果鐵電電容器104不與諧振器102或其它射頻電路集成為一個(gè)整體，則連接損耗可能非常大。一旦選定了鐵電電容器104的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，鐵電電容器104的Qc就可以依照前面論述的方法推導(dǎo)得出。由此通過(guò)1/QT＝1/Qc+1/Qu可以得到整個(gè)基級(jí)100的QT，其中Qu是諧振器102無(wú)負(fù)載的Q；而Qc是鐵電電容器的Q。
在給定基級(jí)100的QT后，設(shè)計(jì)者可以利用公式(1)來(lái)確定是否能夠符合或優(yōu)于所需的I.L.。如果I.L.太大，則設(shè)計(jì)者可以通過(guò)增大Qc或Qu或同時(shí)增大兩者而得到較小的I.L.。如果將Qc或Qu增大到了不能再大的地步，則它們將對(duì)QT形成極限限制。此時(shí)只有通過(guò)切換到一個(gè)較低損耗的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)上才能進(jìn)一步減小I.L.0。例如，對(duì)于給定覆蓋表面(footprint)(面積)，使用容量諧振器取代微帶諧振器將可增大Qu。
對(duì)于大容量應(yīng)用，諸如CDMA無(wú)線手機(jī)，橫向電磁(TEM)波容量諧振器是優(yōu)選的。這類容量諧振器可以是陶瓷負(fù)載的同軸諧振器、板狀線(整體)諧振器或帶狀線諧振器，以上列述的是三種最常見(jiàn)的實(shí)施例。利用與同軸諧振器或帶狀諧振器一起構(gòu)造的頂部電容耦合(TCC)的BPF，可以實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)窄帶(典型地定義為BW≤f0的10％)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。如圖8所示的TCC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)適于并聯(lián)鐵電調(diào)諧，因?yàn)檫@樣做提供了最致密緊湊的實(shí)現(xiàn)(與串聯(lián)鐵電調(diào)諧的TCC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)相比具有較小的覆蓋面積)。并聯(lián)的四分之一波長(zhǎng)諧振器起到了接近諧振的平行LC調(diào)諧電路的作用。
也可以使用實(shí)現(xiàn)分級(jí)阻抗的整體BPF。利用整體BPF設(shè)計(jì)的直接結(jié)果就是，整體諧振器典型地沿著它們的整個(gè)長(zhǎng)度進(jìn)行電磁耦合。整體BPF適合于串聯(lián)鐵電調(diào)諧。通過(guò)鐵電調(diào)諧電容器的選擇性沉積和構(gòu)圖設(shè)計(jì)，可以調(diào)節(jié)整體BPF的電長(zhǎng)度。也可以使用非TEM諧振器，包括但不限于，介電加載的波導(dǎo)諧振器或介電壓輪(pucks)(有或沒(méi)有屏蔽罩的)。
但是，高的要求可能會(huì)對(duì)容量諧振器可達(dá)到的Qu值產(chǎn)生限制。在這樣限制要求很高的系統(tǒng)中，可以使用帶狀線諧振器替代容量同軸諧振器。這里，可以通過(guò)將中心導(dǎo)體設(shè)置得更寬些(直到一個(gè)限點(diǎn))而在保持總高度固定不變前提下提高Qu。這個(gè)實(shí)施例進(jìn)一步的優(yōu)點(diǎn)在于，通過(guò)使帶狀線諧振器頂覆蓋層終止于鐵電電容器位置之前，可以有效實(shí)現(xiàn)對(duì)平面的鐵電電容器諸如間隙電容器或IDC的結(jié)合應(yīng)用。按照這種方式，在形成帶狀線諧振器底覆蓋層的襯底的延伸超出頂覆蓋層的這一部分上形成平面鐵電電容器。
不管要制造的諧振器的具體結(jié)構(gòu)型式如何，只要高度限制有礙于進(jìn)一步提高該諧振器的Qu，則不得不轉(zhuǎn)用它法以提高Qc，例如，用間隙鐵電電容器或疊層鐵電電容器替代IDC鐵電電容器。
對(duì)于多數(shù)應(yīng)用而言，如圖6所示的單階帶通濾波器140就能滿足需要。如關(guān)于圖5所討論的那樣，帶通濾波器140包含鐵電電容器104和諧振器102。將可變直流電壓142外加到鐵電電容器104，以調(diào)諧帶通濾波器140。將需要濾波的射頻信號(hào)加載到輸入端144，并且由輸出端146輸出。注意，輸入端144和輸出端146是可互換的。電容器143被定義在輸入端144與諧振器102之間。另一個(gè)電容器145被定義在輸出端146與諧振器102之間。鐵電電容器104，無(wú)論它是間隙電容器、疊層電容器還是IDC電容器，都是按照前述方式進(jìn)行構(gòu)造配置的，用以使損耗最小化。類似地，諧振器102可以是短路的1/4波長(zhǎng)諧振器或是開路的1/2波長(zhǎng)諧振器，選擇諧振器102的類型因此使得Qu最大化。
覆蓋面積較小且費(fèi)用較低的容量諧振器，如同軸諧振器、介電加載的波導(dǎo)諧振器、整體諧振器或帶狀線諧振器，將能提供較高的Qu。另外，如果技術(shù)規(guī)范和價(jià)格因素限制允許，也可以使用較大面積的平面諧振器，如微帶諧振器。大多數(shù)微帶諧振器電路都是通過(guò)在硬質(zhì)襯底上進(jìn)行薄膜加工處理而制成的。由于部分電磁場(chǎng)分布在微帶之上的空氣域中，所以微帶諧振器可以實(shí)現(xiàn)較小的金屬厚度和較大的尺寸。
現(xiàn)在參考圖7，其中示出了帶通濾波器140的平面實(shí)現(xiàn)150。諧振器102由微帶線152構(gòu)成，微帶線152通過(guò)通路154接地。注意，微帶線152也可以端接方式連接適當(dāng)?shù)臒o(wú)損耗接地面(未示出)，這樣就避免使用通路154。電容器153和155分別由輸入微帶線156、輸出微帶線158以及諧振器微帶線152之間的隙構(gòu)成。期望的是，使電容器155和157的電容值達(dá)到實(shí)際需要大小(大致0.25pF)，以便使輸入與輸出耦合最大化同時(shí)仍保持平面結(jié)構(gòu)形式。微帶線形成在襯底157上，襯底157由純度為99.5％的鋁、MgO、或藍(lán)寶石制成，為了提供最大化的微帶諧振器Q值，襯底157優(yōu)選的厚度大致為1.0mm。鐵電電容器104是在襯墊160和微帶線152之間形成的間隙電容器，并且鐵電層162位于襯墊160和微帶線152之下。
可變直流電壓源通過(guò)電阻器164給襯墊160施加偏壓。隔直流電容器設(shè)置在襯墊160和166之間，其中襯墊166包含接地通路168。注意，襯墊166也可以端接方式連接適當(dāng)?shù)臒o(wú)損耗接地面(未示出)，這樣就可避免使用通路168。
如圖7所示，如果并聯(lián)連接諧振器，則需要隔直流電容器。隔直流電容器的電容值理想地至少為100Cf-e，以使其對(duì)Cf-e的負(fù)載影響最小化。在感興趣的頻帶中，其Q理想地≥40。顯而易見(jiàn)，這里對(duì)間隙電容器和微帶諧振器的選用是任意的，即，根據(jù)本發(fā)明的教導(dǎo)，這里討論過(guò)的任意型式的電容器和諧振器都可以選用。
圖7的帶通濾波器可以理想地用作測(cè)試電路，用以表征鐵電膜，如這里所描述的那樣。如此，圖7帶通濾波器提供了下列優(yōu)點(diǎn)1)尤其當(dāng)要實(shí)現(xiàn)的是間隙電容器或IDC時(shí)，可以根據(jù)其用途而構(gòu)造鐵電電容器。選擇性鐵電沉積被采用。
2)盡管顯示的是鐵電間隙電容器，但也可以使用IDC。間隙電容器幾何結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單。其與IDC相比制造較為簡(jiǎn)單并且?guī)缀螕p耗較小。另外，其與疊層電容器相比較容易制造。
3)由于電路是利用薄膜加工處理技術(shù)制造的，所以可以精確控制并測(cè)量幾何結(jié)構(gòu)。
4)可以用輪廓曲線測(cè)定方法(profilometry)精確測(cè)量金屬厚度。金屬類型可以根據(jù)需要選擇(Au、Ag或Cu)。
5)高Q微帶電路完善了電路的固定諧振器部分。
6)鐵電電容器直接構(gòu)造在諧振器中。不存在由焊接、接合等等引致的附加損耗。從諧振器到鐵電電容器的過(guò)渡是均勻的，或如有必要該過(guò)渡可以是錐形變化的。
7)如果使用大面積接地面和Wiltron測(cè)試夾具(具有用以保持電路頂面和底面并且使電路頂面和底面接地的夾具)，則不需要通孔。在堅(jiān)硬的襯底上鉆孔費(fèi)用顯著增大，并且會(huì)減少這類測(cè)試電路的可構(gòu)造數(shù)目。
8)這種電路可以用EM軟件進(jìn)行精確模擬。
9)這種電路可以不用鐵電膜進(jìn)行構(gòu)造，以便測(cè)定用于仿真校正的電路基本損耗(當(dāng)然是在較高的f0處)。
10)使用低損耗襯底使襯底對(duì)整個(gè)電路的影響最小化。
11)f0和I.L0.的測(cè)量結(jié)果可以用于析取鐵電膜介電常數(shù)和tanδ。
12)圖7中的電路可以在示出鐵電電容器的基底上開設(shè)孔。然后，可以將獨(dú)立的鐵電電容器放置在孔上，以壓力固定，從而使得鐵電電容器作為獨(dú)立元件而被測(cè)試。
現(xiàn)在參考圖8a，其中示出了一個(gè)二階TCC可調(diào)諧BPF 400。如參照?qǐng)D5討論過(guò)的那樣，帶通濾波器400的各階都包括諧振器404和408以及鐵電電容器410a或410b。圖示的諧振器404和408是1/4波長(zhǎng)短路諧振器，但是其也可以是1/2波長(zhǎng)開路諧振器。
施加到鐵電電容器410a和410b上的可變直流電壓對(duì)帶通濾波器400起調(diào)諧作用。鐵電電容器410a和410b經(jīng)過(guò)隔直流電容器412a和412b耦合接地，因?yàn)樵谶@個(gè)實(shí)施例中諧振器是短路的。
射頻信號(hào)由輸入端402接收而自輸出端406輸出。注意，輸入端402和輸出端406是可互換的。除了輸入電容器434a和輸出電容器434b之外，還提供有一個(gè)附加電容器432作為諧振器404和408之間的阻抗變換器或?qū)Ъ{變換器以便生成所需的BPF響應(yīng)，電容器434a和434b的功能類同于參照附圖6討論過(guò)的電容器143和145。顯而易見(jiàn)，電容器432也可以是一個(gè)分立元件或通過(guò)諧振器404與408之間的孔耦合得到實(shí)現(xiàn)。
圖8a與8b所示的可調(diào)諧二階濾波器400和450都具有基本的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，此拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)產(chǎn)生可被用于為給定的通帶I.L.提供更好的抑止效果的高側(cè)或低側(cè)零點(diǎn)。當(dāng)諧振器之間沿它們的整個(gè)長(zhǎng)度進(jìn)行耦合時(shí)，隨著鐵電電容器對(duì)橫跨該通帶的帶通濾波器進(jìn)行調(diào)諧，通帶I.L.和帶外抑制度將隨之改變。為了將任意由此而引起的失真減低到最小程度，尤其是在抑制頻帶，電容器432可采用鐵電電容器。調(diào)諧電容器413和419使得頻率中的零道跟隨可調(diào)諧通帶。
為了便于偏置、調(diào)諧在諧振器404和408之間耦合的鐵電電容器，可將電容器432替換為鐵電電容器437a和437b，如圖8b所示。電容器437a和437b理想地具有兩倍于電容器432的電容。在這個(gè)實(shí)施例中，鐵電電容器410a、410b、437a和437b中的每一個(gè)都可利用單個(gè)的直流調(diào)諧電壓VDC進(jìn)行調(diào)諧。
用于鐵電電容器的單個(gè)直流調(diào)諧電壓可以配置成如圖9所示。在圖9中，VDC連接到一個(gè)分壓器(divider)網(wǎng)絡(luò)505。分壓器網(wǎng)絡(luò)505耦合連接到鐵電電容器437a和437b。分壓器網(wǎng)絡(luò)505的結(jié)構(gòu)配置為鐵電電容器437a和437b提供了適當(dāng)?shù)恼{(diào)諧范圍，因此使得零道跟隨通帶，如上所述。
分壓器網(wǎng)絡(luò)505可以如圖10所示進(jìn)行構(gòu)造。在圖10中，VDC被耦合至R1。R1連接R2同時(shí)還連接到電容器437a和437b。R2耦合接地。選擇R1和R2使得零道跟隨通帶，如上所述。
可選地，可以利用單獨(dú)的電壓來(lái)調(diào)諧電容器437a和437b。
現(xiàn)在來(lái)看圖11a，其中示出了一個(gè)可調(diào)諧二階濾波器300，它使用了同軸、整體諧振器302a和302b。注意，也可以使用其它諧振器類型。諧振器302a和302b可以是開路的或是短路的。諧振器302a和302b固定在襯底301的第一表面上。形成在襯底301的第一表面上的襯墊304a和304b與諧振器302a和302b通過(guò)引線305a和305b相連接。形成在襯底301的第一表面上的襯墊306a和306b與襯墊304a和304b耦合以形成鐵電電容器310a和310b所必需的間隙。鐵電層312a、312b位于襯墊304a、304b、306a、306b的下面，從而完整構(gòu)成鐵電間隙電容器310a、310b。注意，附圖不是按比例表示的。例如，為了清楚表示將間隙間隔加大了。
傳輸線320a和320b位于襯底301的第二表面上。這些傳輸線用作輸入射頻信號(hào)的輸入端320a和輸出射頻信號(hào)的輸出端320b。輸入電容器315a和輸出電容器315b分別形成在傳輸線320a和320b與襯墊304a和304b之間，傳輸線320a和320b與襯墊304a和304b之間有襯底301，如圖11b所示。圖11b是圖11a所示濾波器300的一部分的剖面圖。該剖面圖是沿著線B剖切得到的。
此外，電容器321是由襯墊304a和304b的間隔形成的間隙電容器。注意，由電容器321提供的耦合也可以替代地通過(guò)同軸諧振器302a與302b之間的孔耦合來(lái)提供，從而不必要使用電容器321。顯然，盡管圖中顯示的同軸諧振器302a和302b是分離的結(jié)構(gòu)，但它們可以共用一個(gè)公共的壁，以節(jié)約空間并且允許任意的孔耦合。另外，在它們之間可以既沒(méi)有間隔也沒(méi)有壁。也就是說(shuō)，它們可以采用相互耦合的整體諧振器結(jié)構(gòu)。在通過(guò)孔耦合實(shí)現(xiàn)電容器321所提供的耦合的實(shí)施例中，可以將襯墊304a和304b分隔開足夠的間距，以使它們之間的任何間隙電容最小化。使偏壓VDC通過(guò)諧振器340a和340b耦合可以調(diào)諧鐵電電容器310a和310b。每個(gè)鐵電電容器310a和310b都通過(guò)隔直流電容器341a和341b接地。
如圖12所示，濾波器400和450適合用做雙工器640的發(fā)射部分和接收部分。注意，雙工器是多路復(fù)用器的一個(gè)特例。雙工器和兩個(gè)頻帶一起使用，而多路復(fù)用器則和兩個(gè)或多個(gè)頻帶一起使用。另外，多路復(fù)用器也可以定義為與多于兩個(gè)的頻帶一起使用。無(wú)論哪一種方式，應(yīng)當(dāng)明白，雖然為了簡(jiǎn)明起見(jiàn)上述討論是針對(duì)雙工器的，但本發(fā)明通常可以用于多路復(fù)用器。
雙工器640通過(guò)一個(gè)公共端口642耦合連接到天線或者天線共用器。發(fā)射部分644包括一個(gè)二階可調(diào)諧濾波器，該濾波器是參照附圖9、10與11所介紹的方式構(gòu)造的。因此，發(fā)射級(jí)644具有諧振器604a和608a，諧振器604a和608a分別與它們各自的鐵電電容器610a和610b相耦合。諧振器604a、604b、608a和608b可以實(shí)現(xiàn)為同軸諧振器、帶狀線諧振器或整體諧振器，從而可以給出三個(gè)實(shí)施例。Tx和Rx部分通常被構(gòu)造成具有相同的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，例如是整體型的。但是，如有必要也可以為Tx和Rx部分選用不同的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。例如，根據(jù)需要或選擇，Tx部分可以是帶狀線型的而Rx部分是整體型的。
如果實(shí)現(xiàn)為整體諧振器，它們將沿著它們的整個(gè)長(zhǎng)度進(jìn)行電磁(EM)耦合。這種EM耦合與由電容器632a提供的耦合一起可以用于生成Rx頻帶中的高側(cè)抑制零點(diǎn)。理想地，在PCS CDMA中該零點(diǎn)位于其中含有與Tx信道成對(duì)的Rx信道的Rx頻帶部分之內(nèi)。這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)提供了最小化的Tx頻帶I.L.0以及最大化的Rx頻帶抑制度。
隔直流電容器和直流調(diào)諧電壓源未在圖中示出。鐵電電容器632a示例性地示出在圖8a中。但是，顯然如圖8b所示，它優(yōu)選地實(shí)現(xiàn)為兩個(gè)串聯(lián)耦合的鐵電電容器，其中每個(gè)電容器的電容為2C2。電容器610a和610b的直流回路通過(guò)了短路的諧振器604a和608a。
接收部分646以類似的方式構(gòu)成。這里使用的對(duì)整體耦合和Tx頻帶抑制的相同說(shuō)明與對(duì)用于Tx濾波器的Rx頻帶抑制的說(shuō)明是類似的。但是，接收部分646中諧振器604b和608b的電長(zhǎng)度的選擇不同于發(fā)射部分。按照這種方式，接收部分和發(fā)射部分各自調(diào)諧覆蓋的通帶是分離的，而鐵電調(diào)諧電容器610c和610d的電容值與電容器610a和610b的保持一致。
例如，在美國(guó)CDMA PCS全頻帶中，發(fā)射(TX)部分644必須調(diào)諧以在1850-1910MHz的通帶上發(fā)射。類似地，接收(RX)部分446必須調(diào)諧以在1930-1990MHz的通帶上接收。應(yīng)當(dāng)注意，雖然這里所述的是美國(guó)PCS全頻帶，但是同樣的概念可以推廣到其它的無(wú)線頻帶，包括，例如，蜂窩頻帶(800MHz-1000MHz)，其它的PCS頻帶，3-G CDMA頻帶，以及任意的部分頻帶。
在這種情形下，Tx頻帶和Rx頻帶的調(diào)諧電壓范圍將不同，因?yàn)榧词顾璧恼{(diào)諧范圍是60MHz(在美國(guó)CDMA PCS全頻帶的例子中)，但Tx頻帶和Rx頻帶的分?jǐn)?shù)(fractional)帶寬卻稍有不同。這是因?yàn)門x頻帶起始于1850MHz，而Rx頻帶起始于1930MHz。因此，在使用相同值的鐵電電容器的情形下，需要單獨(dú)的調(diào)諧電壓。
在另一個(gè)實(shí)施例中，Tx頻帶的諧振器604a和608a與Rx頻帶的諧振器604b和608b具有相同的電長(zhǎng)度。在這種情況下，用于調(diào)諧Tx頻帶和Rx頻帶的鐵電電容器的電容值是不同的，從而提供了必要的頻率分隔。
鐵電電容器610a-d也可以用于調(diào)諧單獨(dú)的諧振器。在傳統(tǒng)的固定帶寬設(shè)計(jì)中，每個(gè)濾波器或雙工器都需要100％的出廠篩選和調(diào)諧以符合電氣規(guī)范。使用電可調(diào)的鐵電電容器可以實(shí)現(xiàn)這些目的，從而對(duì)介電常數(shù)的變化、制造公差以及溫度變化做出補(bǔ)償。實(shí)現(xiàn)這種調(diào)節(jié)的代價(jià)是增大調(diào)諧電容范圍，并且這種調(diào)節(jié)理想地是通過(guò)各個(gè)諧振器的獨(dú)立調(diào)諧(控制)電壓實(shí)現(xiàn)的。這種方案增大了在生成直流控制電壓的控制電路上的放置需求。
在另一個(gè)實(shí)施例中，PCS-配置的雙工器可以使用間隙耦合以構(gòu)成電容器651a、651b、661和671。電容器651a、651b、661和671通常在0.25-0.3PF的范圍內(nèi)以用于美國(guó)PCS CDMA頻帶。它們將BPF或雙工器的阻抗變換成準(zhǔn)確的輸入與輸出阻抗，典型地為50歐姆。
在公共端口642上可能需要附加的阻抗匹配電路而不僅僅是使用如圖所示的電容器651a和651b。當(dāng)Tx部分和Rx部分都終結(jié)于它們準(zhǔn)確的指定阻抗(典型地為50Ω)時(shí)，將由系統(tǒng)的具體應(yīng)用要求來(lái)決定從公共端口642看去可以得到什么樣的電壓駐波比(VSWR)。
濾波器或雙工器(或多路復(fù)用器)是一種頻率選擇阻抗變換網(wǎng)絡(luò)。因此，可以把它設(shè)計(jì)成將其輸入端與輸出端之間的阻抗水平變換為數(shù)值，或者由所述數(shù)值變換為其輸入端與輸出端之間的阻抗水平，而不是標(biāo)準(zhǔn)的50歐姆?？紤]及此，電容器661和671可以根據(jù)需要而具有更寬的數(shù)值范圍。在任何情況下必須選擇電容器以獲取準(zhǔn)確的電容值。
在一個(gè)實(shí)施例中，諧振器604a、604b、608a和608b中的陶瓷介電常數(shù)(DK)是38.6。發(fā)射部分644中的諧振器604a和608b具有的電長(zhǎng)度是232mils(毫英寸)，而接收部分646中的諧振器604b和608b具有的電長(zhǎng)度是221mils。鐵電電容器610a-d具有的電容為0.66pF并且Q為180。
在另一個(gè)實(shí)施例中使用了用陶瓷DK＝38.6構(gòu)造的整體濾波器，其高度為4.0mm，Zoe＝18.95Ω，Zoo＝13.80Ω，中心導(dǎo)體直徑為36.24mils，而中心導(dǎo)體的邊緣到邊緣的間距是64.68mils。
圖13顯示了這種PCS-配置的部分644和646的最后所得到的頻率響應(yīng)曲線。圖14顯示了鐵電電容器610a-d的Q值增大到450時(shí)所得到的頻率響應(yīng)曲線。圖13與14的響應(yīng)曲線都是基于相互間沒(méi)有電磁耦合的4.0mm的同軸諧振器。
在另一個(gè)實(shí)施例中，電容器651a、651b、661和671可被實(shí)現(xiàn)為分立的疊層電容器，其品質(zhì)因子是250或更大。在這個(gè)實(shí)施例中，發(fā)射部分644中的諧振器604a和608b具有的電長(zhǎng)度是233.179mils，而接收部分646中的諧振器604b和608b具有的電長(zhǎng)度是222.32mils。如果鐵電電容器610a-d具有的電容為0.66pF并且Q為180，則最終所得到的PCS-配置的雙工器的頻率響應(yīng)曲線表示為圖15。類似地，如果鐵電電容器610a-d的品質(zhì)因子增大到450，則所得到的頻率響應(yīng)曲線表示為圖16。圖13-16是示例雙工器的頻率響應(yīng)曲線示例圖。
在所有這些實(shí)施例中，鐵電電容器的Q可以更低，條件是增大的通帶I.L.處在可以容忍的限度內(nèi)。如果Tx頻帶的最壞情況的通帶I.L.規(guī)范是-3.5dB，則可以使用Cf-e＝0.66pF以及在2.0GHz處Q約為80的鐵電電容器，并且仍能符合規(guī)范要求?？紤]到諸如Lattach的制造損耗，則需要鐵電電容器的Q更高。
優(yōu)選的解決方法是獲取盡可能最大的鐵電電容器Q值同時(shí)滿足調(diào)諧要求。這將在Tx頻帶和Rx頻帶中提供最小的I.L.0。Cf-e較小將導(dǎo)致BPF或雙工器在1900MHz處負(fù)載較小。Cf-e的低限由調(diào)諧范圍確定。在圖12-16所示的實(shí)施例中，在電磁耦合的整體設(shè)計(jì)中需要的最小變化量(Δ)Cf-e(圖8a中的電容器410a和410b的電容值)＝0.25pF以及ΔCf-e(圖8a中的電容器432的電容值)＝0.033pF，而在非電磁耦合的設(shè)計(jì)中需要的ΔCf-e(圖8a中的電容器410a和410b的電容值)＝0.34pF。較低的通帶I.L.通常是優(yōu)選的，尤其是在諸如手機(jī)那樣的對(duì)功率敏感的應(yīng)用中，因?yàn)檩^低的通帶I.L.給諸如功率放大器的其它元件帶來(lái)的負(fù)擔(dān)較小。進(jìn)而可對(duì)通話時(shí)間或電池壽命產(chǎn)生積極的影響。
以采用整體設(shè)計(jì)作為例子，如果對(duì)于給定的鐵電膜、直流調(diào)諧電壓以及鐵電電容器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)2∶1的Cf-e調(diào)諧范圍，則Cf-e(0V DC)＝0.5pF是能夠滿足ΔCf-e＝0.25pF要求的最小的Cf-e值。如果期望以Cf-e(0V DC)＝0.375pF開始，則需要3∶1的調(diào)諧范圍才能滿足ΔCf-e＝0.25pF的要求。
盡管本發(fā)明是針對(duì)特定具體實(shí)施例進(jìn)行闡釋說(shuō)明的，但是這些闡釋說(shuō)明僅僅是應(yīng)用本發(fā)明的示例而已，且不應(yīng)當(dāng)理解為對(duì)本發(fā)明的限制性說(shuō)明。因此，對(duì)本發(fā)明披露的各種實(shí)施例特征的改編、組合都在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)，本發(fā)明的保護(hù)范圍由所附權(quán)利要求書限定。
權(quán)利要求
1.一種可調(diào)諧多路復(fù)用器，包括第一控制信號(hào)發(fā)生器，其用于生成第一控制信號(hào)；第一電容器；第一諧振器；所述第一電容器與第一諧振器構(gòu)成了具有第一諧振頻率的第一電磁信號(hào)濾波器；第一鐵電材料部分，其設(shè)置在所述第一電容器附近，用于響應(yīng)所述第一控制信號(hào)來(lái)調(diào)整所述第一電容器的電容值，從而調(diào)整所述第一諧振頻率；第二控制信號(hào)發(fā)生器，其用于生成第二控制信號(hào)；第二電容器；第二諧振器；所述第二電容器與第二諧振器構(gòu)成了具有第二諧振頻率的第二電磁信號(hào)濾波器；第二鐵電材料部分，其設(shè)置在所述第二電容器附近，用于響應(yīng)所述第二控制信號(hào)來(lái)調(diào)整所述第二電容器的電容值，從而調(diào)整所述第二諧振頻率；其特征在于，當(dāng)工作溫度范圍為約-50攝氏度至100攝氏度時(shí)，所述各個(gè)電容器的品質(zhì)因子都大于約80。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多路復(fù)用器，其特征在于，所述各個(gè)電容器的品質(zhì)因子都大于約180。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多路復(fù)用器，其特征在于，所述各個(gè)電容器的品質(zhì)因子都大于約350。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多路復(fù)用器，其特征在于，當(dāng)工作溫度范圍在約-50攝氏度至100攝氏度時(shí)，在0.25GHz至7.0GHz的頻率范圍內(nèi)所述品質(zhì)因子大于約80。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的多路復(fù)用器，其特征在于，當(dāng)工作溫度范圍在約-50攝氏度至100攝氏度時(shí)，在約0.8GHz至7.0GHz的頻率范圍內(nèi)所述品質(zhì)因子大于約80。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的多路復(fù)用器，其特征在于，當(dāng)工作溫度范圍在約-50攝氏度至100攝氏度時(shí)，在約0.25GHz至2.5GHz的頻率范圍內(nèi)所述品質(zhì)因子大于約80。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的多路復(fù)用器，其特征在于，當(dāng)工作溫度范圍在約-50攝氏度至100攝氏度時(shí)，在約0.8GHz至2.5GHz的頻率范圍內(nèi)所述品質(zhì)因子大于約80。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多路復(fù)用器，其特征在于，當(dāng)工作溫度范圍在約-50攝氏度至100攝氏度時(shí)，在0.25GHz至7.0GHz的頻率范圍內(nèi)所述品質(zhì)因子大于約180。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的多路復(fù)用器，其特征在于，當(dāng)工作溫度范圍在約-50攝氏度至100攝氏度時(shí)，在約0.8GHz至2.5GHz的頻率范圍內(nèi)所述品質(zhì)因子大于約180。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多路復(fù)用器，其特征在于，當(dāng)工作溫度范圍在約-50攝氏度至100攝氏度時(shí)，對(duì)于范圍在約0.3pF至3.0pF的電容，所述品質(zhì)因子大于約80。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的多路復(fù)用器，其特征在于，當(dāng)工作溫度范圍在約-50攝氏度至100攝氏度時(shí)，對(duì)于范圍在約0.5pF至1.0pF的電容，所述品質(zhì)因子大于約80。
12.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多路復(fù)用器，其特征在于，當(dāng)工作溫度范圍在約-50攝氏度至100攝氏度時(shí)，對(duì)于范圍在約0.3pF至3.0pF的電容，所述品質(zhì)因子大于約180。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的多路復(fù)用器，其特征在于，當(dāng)工作溫度范圍在約-50攝氏度至100攝氏度時(shí)，對(duì)于范圍在約0.5pF至1.0pF的電容，所述品質(zhì)因子大于約180。
14.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多路復(fù)用器，其特征在于所述第一諧振頻率在約1850MHz至約1910MHz的范圍內(nèi)；并且所述第二諧振頻率在約1930MHz至約1990MHz的范圍內(nèi)。
15.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多路復(fù)用器，其特征在于所述第一諧振頻率在約1750MHz至約1780MHz的范圍內(nèi)；并且所述第二諧振頻率在約1840MHz至約1870MHz的范圍內(nèi)。
16.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多路復(fù)用器，還包括第三控制信號(hào)發(fā)生器，其用于生成第三控制信號(hào)；第三電容器；第三諧振器；所述第三電容器與第三諧振器構(gòu)成了在第三諧振頻率處諧振的第三電磁信號(hào)濾波器，其中所述第三諧振頻率近似等于所述第一諧振頻率；第三鐵電材料部分，其設(shè)置在所述第三電容器附近，用于響應(yīng)所述第三控制信號(hào)來(lái)調(diào)整所述第三電容器的電容值，從而調(diào)整所述第三諧振頻率；第四控制信號(hào)發(fā)生器，其用于生成第四控制信號(hào)；第四電容器；第四諧振器；所述第四電容器與第四諧振器構(gòu)成了具有第四諧振頻率的第四電磁信號(hào)濾波器，其中所述第四諧振頻率近似等于所述第二諧振頻率；第四鐵電材料部分，其設(shè)置在所述第四電容器附近，用于響應(yīng)所述第四控制信號(hào)來(lái)調(diào)整所述第四電容器的電容值，從而調(diào)整所述第四諧振頻率。
17.一種可調(diào)諧多路復(fù)用器，包括第一控制信號(hào)發(fā)生器，其用于生成第一控制信號(hào)；第一電容器；第一容量諧振器；所述第一電容器與第一諧振器構(gòu)成了具有第一諧振頻率的第一電磁信號(hào)濾波器；第一鐵電材料部分，其設(shè)置在所述第一電容器附近，用于響應(yīng)所述第一控制信號(hào)來(lái)調(diào)整所述第一電容器的電容值，從而調(diào)整所述第一諧振頻率；第二控制信號(hào)發(fā)生器，其用于生成第二控制信號(hào)；第二電容器；第二容量諧振器；所述第二電容器與第二諧振器構(gòu)成了具有第二諧振頻率的第二電磁信號(hào)濾波器；第二鐵電材料部分，其設(shè)置在所述第二電容器附近，用于響應(yīng)所述第二控制信號(hào)來(lái)調(diào)整所述第二電容器的電容值，從而調(diào)整所述第二諧振頻率。
18.根據(jù)權(quán)利要求17所述的多路復(fù)用器，其特征在于所述第一諧振頻率在約1850MHz至約1910MHz的范圍內(nèi)；并且所述第二諧振頻率在約1930MHz至約1990MHz的范圍內(nèi)。
19.根據(jù)權(quán)利要求17所述的多路復(fù)用器，其特征在于所述各個(gè)諧振器包括帶狀線諧振器。
20.根據(jù)權(quán)利要求17所述的多路復(fù)用器，其特征在于所述各個(gè)諧振器包括整體諧振器。
21.根據(jù)權(quán)利要求17所述的多路復(fù)用器，其特征在于所述各個(gè)諧振器包括同軸介電加載諧振器。
22.根據(jù)權(quán)利要求17所述的多路復(fù)用器，其特征在于所述各個(gè)電容器的品質(zhì)因子都大于約80。
23.根據(jù)權(quán)利要求17所述的多路復(fù)用器，其特征在于所述各個(gè)電容器的品質(zhì)因子都大于約180。
24.根據(jù)權(quán)利要求17所述的多路復(fù)用器，其特征在于所述各個(gè)電容器的品質(zhì)因子都大于約350。
25.根據(jù)權(quán)利要求17所述的多路復(fù)用器，其特征在于所述第一諧振頻率在約1850MHz至約1910MHz的范圍內(nèi)；并且所述第二諧振頻率在約1930MHz至約1990MHz的范圍內(nèi)。
26.根據(jù)權(quán)利要求17所述的多路復(fù)用器，還包括第五控制信號(hào)發(fā)生器，其用于生成第五控制信號(hào)；第五電容器；第五鐵電材料部分，其設(shè)置在所述第五電容器附近，用于響應(yīng)所述第五控制信號(hào)來(lái)調(diào)整所述第五電容器的電容值，從而調(diào)整所述多路復(fù)用器的第一頻率響應(yīng)；第六控制信號(hào)發(fā)生器，其用于生成第六控制信號(hào)；第六電容器；以及第六鐵電材料部分，其設(shè)置在所述第六電容器附近，用于響應(yīng)所述第六控制信號(hào)來(lái)調(diào)整所述第六電容器的電容值，從而調(diào)整所述多路復(fù)用器的第二頻率響應(yīng)。
27.一種無(wú)線通信裝置，包括電池；收發(fā)器；用戶界面；罩殼，其將所述電池和收發(fā)器包容在內(nèi)，并且使所述用戶界面顯現(xiàn)在罩殼之外；第一控制信號(hào)發(fā)生器，其用于生成第一控制信號(hào)；第一電容器；第一諧振器；所述第一電容器與第一諧振器構(gòu)成了具有第一諧振頻率的第一電磁信號(hào)濾波器；第一鐵電材料部分，其設(shè)置在所述第一電容器附近，用于響應(yīng)所述第一控制信號(hào)來(lái)調(diào)整所述第一電容器的電容值，從而調(diào)整所述第一諧振頻率；第二控制信號(hào)發(fā)生器，其用于生成第二控制信號(hào)；第二電容器；第二諧振器；所述第二電容器與第二諧振器構(gòu)成了具有第二諧振頻率的第二電磁信號(hào)濾波器；第二鐵電材料部分，其設(shè)置在所述第二電容器附近，用于響應(yīng)所述第二控制信號(hào)來(lái)調(diào)整所述第二電容器的電容值，從而調(diào)整所述第二諧振頻率。
28.根據(jù)權(quán)利要求29所述的無(wú)線通信裝置，還包括容量諧振器。
29.根據(jù)權(quán)利要求30所述的無(wú)線通信裝置，還包括帶狀線諧振器。
30.根據(jù)權(quán)利要求30所述的無(wú)線通信裝置，還包括整體諧振器。
31.根據(jù)權(quán)利要求32所述的無(wú)線通信裝置，還包括同軸介電加載諧振器。
32.根據(jù)權(quán)利要求29所述的無(wú)線通信裝置，其特征在于所述各個(gè)電容器的品質(zhì)因子都大于約80。
33.根據(jù)權(quán)利要求29所述的無(wú)線通信裝置，其特征在于所述各個(gè)電容器的品質(zhì)因子都大于約180。
34.根據(jù)權(quán)利要求29所述的無(wú)線通信裝置，其特征在于所述各個(gè)電容器的品質(zhì)因子都大于約350。
35.根據(jù)權(quán)利要求29所述的無(wú)線通信裝置，其特征在于所述第一諧振頻率在約1850MHz至約1910MHz的范圍內(nèi)；并且所述第二諧振頻率在約1930MHz至約1990MHz的范圍內(nèi)。
36.根據(jù)權(quán)利要求29所述的無(wú)線通信裝置，其特征在于所述第一諧振頻率在約1750MHz至約1780MHz的范圍內(nèi)；并且所述第二諧振頻率在約1840MHz至約1870MHz的范圍內(nèi)。
37.根據(jù)權(quán)利要求29所述的無(wú)線通信裝置，還包括第三控制信號(hào)發(fā)生器，其用于生成第三控制信號(hào)；第三電容器；第三諧振器；所述第三電容器與第三諧振器構(gòu)成了在第三諧振頻率處諧振的第三電磁信號(hào)濾波器，其中所述第三諧振頻率近似等于所述第一諧振頻率；第三鐵電材料部分，其設(shè)置在所述第三電容器附近，用于響應(yīng)所述第三控制信號(hào)來(lái)調(diào)整所述第三電容器的電容值，從而調(diào)整所述第三諧振頻率；第四控制信號(hào)發(fā)生器，其用于生成第四控制信號(hào)；第四電容器；第四諧振器；所述第四電容器與第四諧振器構(gòu)成了具有第四諧振頻率的第四電磁信號(hào)濾波器，其中所述第四諧振頻率近似等于所述第二諧振頻率；第四鐵電材料部分，其設(shè)置在所述第四電容器附近，用于響應(yīng)所述第四控制信號(hào)來(lái)調(diào)整所述第四電容器的電容值，從而調(diào)整所述第四諧振頻率。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種在CDMA通信裝置中使用的可調(diào)諧鐵電多路復(fù)用器?？烧{(diào)的鐵電電容器被用于調(diào)諧多路復(fù)用器中使用的多個(gè)諧振器的諧振頻率，并且被用于調(diào)整多路復(fù)用器的頻率響應(yīng)特性曲線。本發(fā)明提供了低損耗的鐵電材料和結(jié)構(gòu)配置?？烧{(diào)諧的多路復(fù)用器體積較小并且插入損耗與固定調(diào)諧多路復(fù)用器相比較小。
文檔編號(hào)G01R27/26GK1537343SQ02811345
公開日2004年10月13日 申請(qǐng)日期2002年4月2日 優(yōu)先權(quán)日2001年4月11日
發(fā)明者斯坦利·斯拉夫科·通西赫, 斯坦利 斯拉夫科 通西赫 申請(qǐng)人:基奧賽拉無(wú)線公司