CN100568723C - 弹性波滤波器及装有弹性波滤波器的通信设备 - Google Patents

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Abstract

在弹性波滤波器中，具有位于压电衬底之上的多个串联的纵向耦合谐振型弹性波滤波器元件，减少位于纵向耦合谐振型弹性波滤波器元件之间的电线中的寄生电容的不利效应，以改善串联部分的阻抗匹配，并改了弹性波滤波器输入-输出端的VSWR特征。弹性波滤波器350包括互相串联的两个纵向耦合谐振型弹性波滤波器元件306、312，每个纵向耦合谐振型弹性波滤波器元件306、312包含沿弹性波传播方向设在压电衬底300上的三个IDT320、303、304；308、309、310。在至少一个纵向耦合谐振型弹性波滤波器元件306、312中，以小于其余IDT303；309的电极指状物节距的节距设置串联IDT302、304；308、310的电极指状物。

Description

弹性波滤波器及装有弹性波滤波器的通信设备
技术领域
本发明涉及弹性波滤波器以及装有这种弹性波滤波器的通信设备。具体地说，本发明涉及一种应用弹性波的弹性波滤波器，如声表面波滤波器和弹性边界波滤波器，还涉及一种装有这种弹性波滤波器的通信设备。
背景技术
作为具有带宽频率范围从几十兆赫(MHz)到几千兆赫(GHz)的带通滤波器的示例，公知的是声表面波滤波器。由于结构紧凑并且较轻，近年来，声表面波滤波器被用于便携式通信设备。
尽管存在各种声表面波滤波器，常用于便携式通信设备前端的类型是纵向耦合谐振型声表面波滤波器，它有两个反射器，沿声表面波传播方向布置在压电基板，并在两个反射器之间还有交替布置的输入IDT和输出IDT。纵向耦合谐振型声表面波滤波器的特征在于，带宽中频率的插入损耗很小，并且可以容易地实现平衡信号和未平衡信号之间的转换。
纵向耦合谐振型声表面波滤波器中工作的原理如下。
由输入IDT将输入电信号转换成声表面波，从而在两个反射器之间产生声表面波驻波。在这种情况下，输入IDT和输出IDT中电信号与声表面波之间的转换效率具有频率特征，此外，反射器的声表面波反射效率也具有频率特征。因此，纵向耦合谐振型声表面波具有带通特征，只传送一定频率范围内的信号。
为了增大通带外信号的衰减量，采用声表面波滤波器，它具有在压电衬底上互相串联的两个或多个纵向耦合谐振型声表面波滤波元件。通过串联多个纵向耦合谐振型声表面波滤波器元件，由相应纵向耦合谐振型声表面波滤波器元件顺次衰减通带外的信号，从而增大了通带外信号的衰减量(如参看专利文献1)。
图1示出声表面波滤波器150，它有两个纵向耦合谐振型声表面波滤波器元件106、112，位于压电衬底100上并互相串联。
纵向耦合谐振型声表面波滤波器元件106包括两个反射器101、105，三个IDT102、103、104在它们之间沿声表面波的传播方向成直线排列。类似地，纵向耦合谐振型声表面波滤波器元件112包括两个反射器107、111，三个IDT108、109、110在二者之间沿声表面波的传播方向成直线排列。反射器101、105、107、11 1是周期光栅。IDT102到104、108到110是叉指型梳状电极。
IDT102和IDT108经由电线113互相连接，并且，IDT104和IDT110经由电线114互相连接，从而，使纵向耦合谐振型声表面波滤波器元件106、112互相串联。
提供电线115-122作为焊点123到130(不包括128)和IDT102到104、108到110之间的导线。焊点123到127作为接地焊点被接地。另一方面，焊点129作为加给输入电压的输入焊点。焊点130作为产生输出电压的输出焊点。
反射器101、105、107、111、IDT102到104、108到110、电线113到122，以及焊点123到130(不包括128)共同限定了位于在压电衬底100上的金属膜图样。通过薄膜显微机械加工过程形成金属膜图样，比如，所述过程可以是真空成膜过程、光刻过程、刻蚀过程或剥离(lift-off)过程。
图2示出声表面波滤波器250，它具有在未平衡信号和平衡信号之间转换的功能，并具有位于压电衬底200上且互相串联的纵向耦合谐振型声表面波滤波器元件206、212。由于声表面波滤波器250和声表面波滤波器150具有很多相同特点，下面主要说明与声表面波滤波器150的不同。
将IDT209划分为两个IDT部分。IDT209产生平衡信号。焊点223到227接地。在把未平衡的输入信号输入到焊点229时，焊点230和焊点231中产生平衡输出信号。
在声表面波滤波器250中，IDT202和IDT204的极性是相反的，并且IDT208和IDT210的极性也是相反的。因此，连接线213和连接线214传送反相的信号。对于提高声表面波滤波器250的平衡输出信号的平衡度而言，这种技术是有效的。或者作为选择，不使用这种技术，也可以充分地实现声表面波滤波器250中未平衡信号与平衡信号之间的转换功能。在那样的情况下，给IDT202和IDT204以相同的极性，并且也给IDT208和IDT210以相同的极性，以使连接线213和连接线214传送同相的信号。然而，使用上述技术的优点在于提高了平衡输出信号的平衡度。
上面已经说明了声表面波滤波器的示例。作为类似的滤波器，公知的还有弹性边界波滤波器。与声表面波滤波器类似，弹性边界波滤波器包括由设在压电衬底上的金属膜组成的反射器和IDT。例如，弹性边界波滤波器具有滤波器电极，这些滤波器电极包括IDT和由压电单晶体片表面上的Al组成的反射器，以及具有足够厚度并在滤波器电极上由SiO2组成的膜。这种膜的弹性常数或密度不同于压电单晶体的。尽管工作情况以及结构实际上都与声表面波滤波器相同，但弹性边界波滤波器还具有位于压电衬底表面上的固体层。弹性边界波滤波器根据LDT和传送通过压电衬底和固体层之间边界的弹性波(弹性边界波)之间的相互作用而工作。相比于声表面波滤波器，需要具有空腔的封装，以防止衬底表面被抑制；弹性边界波滤波器的优点在于其不需要这种具有空腔的封装，因为是通过压电单晶体衬底与所述膜之间的边界平面传送波的。
简而言之，声表面波滤波器是根据通过压电衬底表面传送声表面波而工作的，其中弹性边界波滤波器是根据通过压电衬底和固体层之间的边界传送弹性边界波而工作的。两者的工作原理基本相同，并且两者的设计方法也类似。
在本发明的说明书中，术语“弹性波滤波器”用作表示对滤波器的通称，比如声表面波滤波器和弹性边界波滤波器，它们应用弹性波(如瑞利波、SH波、伪声表面波、LOVE波、Sezawa波、Stonely波、边界波)的。此外，术语“纵向耦合谐振型弹性波滤波器”用作为表示对纵向耦合谐振型声表面波滤波器和纵向耦合谐振型弹性边界波滤波器的通称。
专利文献1：日本未审专利申请专利号No.2002-9587
发明内容
本发明要解决的问题
高频带通滤波器与弹性波滤波器类似，需要良好的阻抗匹配。在输入-输出端具有较差阻抗匹配的滤波器，即在输入-输出端具有较大信号反射的滤波器，会有较差(较大)的插入损耗，因为信号会由于反射而损耗。此外，在滤波器的输入-输出端反射的信号重新进入与滤波器相连接的其它电子元件，会导致失败，比如电路的传送错误。
术语“良好的阻抗匹配”、“较小的信号反射”以及“较小的VSWR(电压驻波比)”互相的意思相同。如果阻抗匹配良好，信号反射就较小，而且VSWR也较小。较小的VSWR表示信号反射较小，这表明阻抗匹配良好。
在具有设在压电衬底上的多个纵向耦合谐振型弹性波滤波器元件的弹性波滤波器中，所述纵向耦合谐振型弹性波滤波器元件之间串联部分的阻抗匹配影响整个弹性波滤波器的阻抗匹配。特别是，如果纵向耦合谐振型弹性波滤波器元件之间串联部分中的阻抗匹配较差，并且，如果在该串联部分中发生信号反射，反射信号从滤波器中作为弹性波滤波器的反射波逸出。
考虑到纵向耦合谐振型弹性波滤波器元件之间的串联部分，纵向耦合谐振型弹性波滤波器元件之一对于串联部分的阻抗，以及另一个纵向耦合谐振型弹性波滤波器元件对于串联部分的阻抗理想地具有复数共轭关系。如果两者具有复数共轭关系，串联部分的阻抗匹配就是完全的，表示在该部分中将完全不会发生信号反射。
但在当前情况下，由于串联电线和接地图样之间的寄生电容，纵向耦合谐振型弹性波滤波器元件对于串联部分的阻抗易于成为电容性的(即阻抗虚部为负)，表示难以获得理想的复数共轭状态(其中一个阻抗虚部为正，而另一个阻抗虚部为负)。这成为纵向耦合谐振型弹性波滤波器元件之间串联部分中信号反射增大的因素。于是，使具有串联纵向耦合谐振型弹性波滤波器元件的弹性波滤波器的VSWR特征变差。在所用压电衬底的相对介电常数较大的情况下，这个问题尤其值得注意，因为串联电线和接地图样之间的寄生电容随相对介电常数正比地增加。此外，随着滤波器通带的频率提高，这个问题也尤其值得注意，因为流进寄生电容的电流随通带的频率正比地增加。
因此，本发明的目的在于提供一种弹性波滤波器，它具有设在压电衬底上的多个串联纵向耦合谐振型弹性波滤波器元件，其中减少了位于纵向耦合谐振型弹性波滤波器元件之间串联电线中的寄生电容的反作用，从而改善串联部分的阻抗匹配，还改善了弹性波滤波器输入-输出端的VSWR特征。
解决问题的方法
为了实现上述目的，本发明提供一种具有如下结构的弹性波滤波器。
一种弹性波滤波器，它包括两个互相串联的纵向耦合谐振型弹性波滤波器元件，每个纵向耦合谐振型弹性波滤波器元件包含位于压电衬底上沿弹性波传播方向的三个IDT。在至少一个纵向耦合谐振型弹性波滤波器元件中，以小于其余IDT电极指状物节距的节距设置一个或两个串联IDT的电极指状物，使得一个或两个串联IDT中的电导率峰值频率高于其余IDT中的电导率峰值频率。
按照上述结构，在每个纵向耦合谐振型弹性波滤波器元件中，串联IDT通常具有位于其中的其余IDT。非串联的其余IDT作为弹性波滤波器的输入端或输出端。通常，对于所有的IDT，将电极指状物设置为相同的节距。相反，在上述结构中，以小于其余IDT电极指状物节距的节距设置一个或两个串联IDT的电极指状物。由于这减少了串联IDT的阻抗(准确地说，阻抗实部更小)，所以，使串联IDT的阻抗实部变小。相应地，串联部分从高压低电流的传送系统变为低压大电流的传送系统。
相比于具有较高阻抗实部的传送系统，即高电压低电流的传送系统，阻抗实部较低的传送系统，即低压大电流的传送系统受寄生电容的影响更小。这有如下的原因。具体地说，因为传送系统是低电压传送系统，所以，将较低电压加给寄生电容，从而减少了流进寄生电容的电流。此外，由于传送系统是大电流的传送系统，所以，即使相同的电流量流进寄生电容中，则由于传送电流本身的增大，仍使寄生电容的影响减少。
相应地，使串联部分寄生电容的影响减少，从而减少了由于这种影响所导致的阻抗不匹配。结果，这减少了串联部分中的信号反射，从而改善了弹性波滤波器的VSWR特征。
此外，在每个纵向耦合谐振型弹性波滤波器元件中，优选地是，以小于其它IDT电极指状物节距的节距来设置一个或两个串联IDT的电极指状物。
通过减少所有串联IDT的阻抗，可以进一步改善弹性波滤波器的VSWR特征。
特别地，这可以通过如下结构得以实现。
优选地是将压电衬底的相对介电常数设定为30或更大。
在相对节电常数是30或更大的压电衬底中，使寄生电容增大，从而实现VSWR特征的明显改善。
此外，优选地将通带的中心频率设定在500Hz或更大。
在将通带中心频率设定在500Hz或更大的滤波器中，VSWR特征的改善是明显的。
此外，优选地是使各IDT沿声表面波的传播方向成直线排列。
在这种情况下，弹性波滤波器是使用声表面波的声表面波滤波器，声表面波传送通过压电衬底表面。
此外，弹性波滤波器还可以包括位于压电衬底上并具有不同于压电衬底的弹性常数或密度的薄膜。
此外，优选地是使各IDT沿压电衬底和薄膜之间的弹性边界波传送方向成直线排列。
在这种情况下，弹性波滤波器是使用弹性边界波的弹性边界波滤波器，弹性边界波传送通过压电衬底和定义为固体层的薄膜之间的边界。
此外，本发明提供一种装有具有上述结构的弹性波滤波器的通信设备。
优点
按照本发明的弹性波滤波器，改善了输入-输出端的VSWR特征。此外，本发明的通信设备设置具有改善VSWR特征的弹性波滤波器，从而改善了设备的特点。
附图说明
图1是传统示例声表面波滤波器的示意图；
图2是另一传统示例声表面波滤波器的示意图；
图3是本发明一种实施例声表面波滤波器的示意图；
图4包括表示所述实施例和传统示例声表面波滤波器特征的曲线。
参考数字
350声表面波滤波器(弹性波滤波器)
302、303、304 IDT
306纵向耦合谐振型声表面波滤波器元件(纵向耦合谐振型弹性波滤波器)
308、309、310 IDT
312纵向耦合谐振型声表面波滤波器元件(纵向耦合谐振型弹性波滤波器)
具体实施方式
以下参照图3和4说明本发明的具体实施例。
图3示出本发明一种实施例的声表面波滤波器350，它给出在未平衡信号和平衡信号之间转换的功能。具体地说，图3示意图中所示出的反射电极和电极指状物数目少于实际数量。然而，正确地示出相邻反射器与IDT之间的极性关系。
声表面波滤波器350实际上具有与图2作为传统示例所示声表面波滤波器250相同的结构，并且具有基本相同的工作原理。
换句话说，声表面波滤波器350包括压电衬底300，其上设有两个纵向耦合谐振型声表面波滤波器元件306、312、电线313到321、以及焊点323到331(不包括328)。
纵向耦合谐振型声表面波滤波器元件306包含两个反射器301、305，两者之间三个IDT302、303、304沿声表面波的传播方向成直线排列。另一方面，纵向耦合谐振型声表面波滤波器元件312包含两个反射器307、311，两者之间三个IDT308、309、310沿声表面波的传播方向成直线排列。
位于纵向耦合谐振型声表面波滤波器元件306中部的IDT303的相对末端分别经由电线316、322与焊点329、325相连接。另一方面，位于纵向耦合谐振型声表面波滤波器元件312中部的IDT309的相对末端分别经由电线319、320与焊点330、331相连接。
位于纵向耦合谐振型声表面波滤波器元件306相对两侧的IDT302、304的第一末端分别经由电线313、314与位于纵向耦合谐振型声表面波滤波器元件312相对两侧的IDT308、310的第一末端相连接。于是，纵向耦合谐振型声表面波滤波器元件306、312互相串联。位于纵向耦合谐振型声表面波滤波器元件306相对两侧的IDT302、304的第二末端分别经由电线315、317与焊点323、324相连接，以及位于纵向耦合谐振型声表面波滤波器元件312相对两侧的IDT308、310的第二末端分别经由电线318、321与焊点326、327相连接。IDT302和IDT304的极性相反。此外，IDT308和IDT310的极性相反。
在焊点323到327接地的状态下未平衡的输入信号被输入到焊点329的情况下，焊点330、331中产生平衡的输出信号。
下面说明与图2所示声表面波滤波器的不同之处。
声表面波滤波器350的纵向耦合谐振型声表面波滤波器元件306中，按比IDT303的电极指状物节距更窄的节距设置IDT302、304的电极指状物。类似地，纵向耦合谐振型声表面波滤波器元件312中，按比IDT309的电极指状物节距更窄的节距设置IDT308、310的电极指状物。
通过按更窄的节距设置电极指状物，使串联部分的阻抗减小。这使流过串联电线的电流增大，而串联电线的电压减小，从而减少了在串联电线中的寄生电容的以下。结果，使串联部分中的阻抗不匹配减小，从而改善了声表面波滤波器350的VSWR特征。
例如，声表面波滤波器350可适用于作为通带中心频率是500MHz或更大的带通滤波器而被用于便携式通信设备中。
下面将述及声表面波滤波器350的特别设计参数。
压电衬底300是36°Y切割X表面波传送型的LiTaO3单晶片。所述压电衬底300并不限于36°，作为选择，可以是具有34°到44°切割角的LiTaO3单晶片。使用厚度为349nm的铝膜图样形成两个纵向耦合谐振型声表面波滤波器元件306、312。
纵向耦合谐振型声表面波滤波器元件306的设计参数如下。
截面宽度是135μm。每个反射器301、305包含按2.128μm的节距设置并具有金属化比为0.687的光栅。设在每个反射器301、305中的光栅数目是60。另一方面，每个反射器302、304包含按2.108μm的节距设置并具有金属化比为0.687的光栅。设置在每个反射器302、304中的光栅数目是27。然而，在每个IDT302和IDT304中，将与IDT303相邻的4个电极指状物按1.941μm的节距设置并具有金属化比为0.687。IDT303包含按2.117μm的节距设置并具有金属化比为0.684的电极指状物。设在IDT303中的电极指状物数目是36。然而，将位于IDT303每一侧的4个电极指状物按1.941μm的节距设置并具有金属化比值为0.687。使反射器301和IDT302互相分开距离为2.085μm(即电极指状物中心之间的距离)。类似地，反射器305和IDT304互相分开距离为2.085μm(即电极指状物中心之间的距离)。此外，IDT302和IDT303互相分开距离为1.940μm(即电极指状物中心之间的距离)。类似地，IDT304和IDT303互相分开距离为1.940μm(即电极指状物中心之间的距离)。每个IDT302、304中的电导率峰值频率高于IDT303中的电导率峰值频率。
纵向耦合谐振型声表面波滤波器元件312的设计参数如下。
截面宽度是135μm。每个反射器307、311包含按2.128μm的节距设置并具有金属化比为0.687的光栅。设在每个反射器307、311中的光栅数目是60。另一方面，每个反射器308、310包括按2.108μm的节距设置并具有金属化比为0.687的光栅。设在每个反射器308、310中的光栅数目是27。然而，在每个IDT308和IDT310中，将与IDT309相邻的4个电极指状物按1.957μm的节距设置并具有金属化比为0.682。IDT309包含按2.117μm的节距设置并具有金属化比为0.684的电极指状物。设在IDT309中的电极指状物数目是40。然而，将位于IDT309每一侧的5个电极指状物按1.941μm的节距设置并具有金属化比为0.687。反射器307和IDT308互相分开距离为2.085μm(即电极指状物中心之间的距离)。类似地，反射器311和IDT310互相分开距离为2.085μm(即电极指状物中心之间的距离)。此外，IDT308和IDT309互相分隔距离为1.940μm(即电极指状物中心之间的距离)。类似地，IDT310和IDT309互相分开距离为1.940μm(即电极指状物中心之间的距离)。每个IDT308、310中的电导率峰值频率高于IDT309中的电导率峰值频率。
可将串联IDT302、304；308、310中电极指状物的节距分别设定为按适当比值地小于与输入-输出端相连接的另外IDT303；309中电极指状物的节距。具体地说，最好按0.995到0.850的比值范围将所述节距设定得更小。为了改善VSWR特征，可以将比值设定在0.995或更小。另一方面，例如，为了防止声表面波滤波器的特征受到不利影响，可以将比值设定在0.850或更大。
图4示出本实施例声表面波滤波器的特性和传统示例声表面波滤波器的特性。具体地说，图4(a)示出插入损耗，图4(b)示出输入侧的VSWR特性，而图4(c)示出输出侧的VSWR特性。在这种情况下，本实施例与具有上述特定设计参数的声表面波滤波器350相对应。图4中用细线表示声表面波滤波器350的特性。对于传统示例的声表面波滤波器，与本实施例声表面波滤波器350基本相同，除了以2.108μm的相同节距设置IDT303的电极指状物和IDT302、304的电极指状物，并且以2.108μm的相同节距设置IDT309的电极指状物和IDT308、310的电极指状物。图4中用粗线表示传统示例声表面波滤波器的特性。
对两者的VSWR特征进行比较，显而易见的是，对于带通内的大部分频率来说，与传统示例声表面波滤器的VSWR对比，本实施例声表面波滤波器的VSWR更小(得到改善)。具体地说，在本实施例的声表面波滤波器中，明显地减少了传统示例声表面波滤波器的通带较低频率端部分处的最高输入侧VSWR。
另一方面，在935MHz频率范围附近，传统示例声表面波滤波器的VSWR低于本实施例声表面波滤波器的VSWR。这是因为在串联电线与接地图样之间的寄生电容在935MHz频率范围附近向利于串联部分阻抗匹配的方向产生作用。相反，本实施例中扰乱了该寄生电容的效应，导致串联部分阻抗匹配的变差。因为串联电线与接地图样之间的寄生电容在通带的一定频率范围内有利于串联部分的阻抗匹配，以更小的节距设置电极指状物并不一定表示对通带内的所有频率都能改善VSWR特征。然而，串联电线与接地图样之间的寄生电容通常过大，因此，对于通带内的大部分频率范围而言。使串联部分的阻抗匹配变差。
因此，上述实施例中，通过以更窄的节距设置电极指状物，对于通带的大部分而言可以减少VSWR，表示整体改善了VSWR特征。
因为串联电线与接地图样之间寄生电容的影响以正比于压电衬底的相对介电常数的增长或通带内频率的增加的方式而变得强烈，所以，本实施例以更窄的节距设置电极指状物，这对于改善VSWR特征是有效的。
本发明并不限于上述实施例，在本发明的范围和精神内可以做多种改型。

Claims (11)

1.一种弹性波滤波器，它包括两个互相串联的纵向耦合谐振型的弹性波滤波器元件，每个纵向耦合谐振型的弹性波滤波器元件包含沿弹性波传播方向设置在压电衬底上的三个IDT，
其中，至少一个纵向耦合谐振型的弹性波滤波器元件中，以小于其余IDT电极指状物节距的节距设置一个或两个串联IDT的电极指状物，使在所述一个或两个串联IDT中的电导率峰值频率高于其余IDT中的电导率峰值频率。
2.根据权利要求1所述的弹性波滤波器，其中，每个纵向耦合谐振型的弹性波滤波器元件中，以小于其余IDT电极指状物节距的节距设置一个或两个串联IDT的电极指状物。
3.根据权利要求1或2所述的弹性波滤波器，其中，将压电衬底的相对介电常数设定为30或更大。
4.根据权利要求1或2所述的弹性波滤波器，其中，将作为带通滤波器的所述弹性波滤波器的通带的中心频率设定为500MHz或更大。
5.根据权利要求1或2所述的弹性波滤波器，其中，使IDT沿声表面波的传播方向成直线排列。
6.根据权利要求3所述的弹性波滤波器，其中，使IDT沿声表面波的传播方向成直线排列。
7.根据权利要求4所述的弹性波滤波器，其中，使IDT沿声表面波的传播方向成直线排列。
8.根据权利要求1或2所述的弹性波滤波器，其中，还包括设在压电衬底之上并具有不同于压电衬底的弹性常数或密度的薄膜，
使IDT在压电衬底和薄膜之间沿弹性波传播方向成直线排列。
9.根据权利要求3所述的弹性波滤波器，其中，还包括设在压电衬底之上并具有不同于压电衬底的弹性常数或密度的薄膜，
使IDT在压电衬底和薄膜之间沿弹性波传播方向成直线排列。
10.根据权利要求4所述的弹性波滤波器，其中，还包括设在压电衬底之上并具有不同于压电衬底的弹性常数或密度的薄膜，
使IDT在压电衬底和薄膜之间沿弹性波传播方向成直线排列。
11.一种通信设备，包括权利要求1-10任一项的弹性波滤波器。
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