JP2004104799A - フィルタ - Google Patents

Abstract

【課題】フィルタおよびインピーダンス整合回路網を提供する。
【解決手段】フィルタおよびインピーダンス整合回路網は、キャパシタの代わりに音響共振器を使用する。共振器、例えばＦＢＡＲ、は共振周波数の外側でキャパシタに似た振る舞いをし、共振周波数の外側で回路網の機能に影響を与えない。共振周波数において、共振器はキャパシタから短絡回路に、開回路に、そして再びキャパシタに急速に遷移する。かくして、共振器は、標準のＬＣフィルタとは無関係に、開及び短絡回路を提供する。その結果、追加的なノッチを有する構造が生じ、このノッチは、非常に高品質の共振器によって提供される特性を有する。このノッチは、通常のインダクタ及びキャパシタによって可能であるものよりも、ずっと鋭くかつ通過帯域に近いものであることができる。
【選択図】図３

Description

　本発明は、集積化したフィルタ、及びインピーダンス整合回路網に関する。

　インダクタ（Ｌ）及びキャパシタ（Ｃ）は、多数の機能用に電子装置内に一般に利用される。１つの機能は、低損失のインピーダンス変換を提供することにある。別の機能は、低損失のフィルタを提供することにある。

　回路内における種々の部品は、すべて物理的な定数を有する。低雑音増幅器（ＬＮＡ）は、例えば非常に高いインピーダンス入力を有し、中間のインピーダンス出力を有する。典型的に標準インピーダンスは、部品のインターフェースのために例えば５０Ωに設定されている。低損失の整合回路網は、５０Ωを、ＬＮＡが入力端子において必要とするインピーダンスに変換する。別の整合回路網は、ＬＮＡの出力を５０Ωに変換し戻す。これらの整合回路網は、インダクタとキャパシタのある種の組合せである。

　しばしば一組の周波数は、さらなる回路を通過しなければならないが、別の組の周波数は、阻止されなければならない。この機能は、インダクタ及びキャパシタを利用して合成することができる。このような回路の例は、ローパスフィルタと称し、アースに接続されたキャパシタ、及び、キャパシタに及び互いに接続されたインダクタ、のチェーンを利用して形成することができる。これは、図１（従来技術）に示されている。

　両方の機能を１つの構造内に形成することも可能である。例えば、ローパスフィルタは、１つのインピーダンスを別のインピーダンスに変換することもできる。

　従来のキャパシタの代わりに音響共振器（acoustic resonator）を含むフィルタは、フィルタ応答における追加的なノッチ構造を有する。このノッチ構造は、選択された周波数帯域を減衰する。

　第１の回路態様において、フィルタは、直列に接続されたインダクタを有する。少なくとも２つのインダクタの間において、音響共振器は、ノードとアースとの間に配置されている。音響共振器の共振周波数は、周波数応答においてノッチ状に減衰される（notched out）。別の実施例において、少なくとも１つの音響共振器に対して、インダクタは、共振器とアースとの間に配置されている。

　第２の回路態様において、フィルタは、直列に接続された直列対を有する。それぞれの直列対は、直列に接続された音響共振器及びインダクタを有する。並列対は、それぞれの直列対とアースとの間に接続されている。それぞれの並列対は、並列接続された音響共振器及びインダクタを有する。

　第３の回路態様において、フィルタは、直列に接続された音響共振器を有する。少なくとも２つの音響共振器の間において、インダクタが、ノードとアースとの間に配置されている。音響共振器の共振周波数は、周波数応答における所望のノッチを生じる。

　すべての実施例において、音響共振器は、薄膜バルク弾性波共振器（film bulk acoustic resonator）又は表面弾性波共振器（surface acoustic wave resonator）であることができる。

　音響共振器、例えば表面弾性波共振器（ＳＡＷ）及び薄膜バルク弾性波共振器（ＦＢＡＲ）は、２つの主要な態様を有する。第１の態様は、それらの共振特性である。この挙動を周波数領域において説明することは、きわめて容易である。音響共振器は、２つの共振周波数を有する。共振器は、良好に動作し、次に迅速に短絡回路になり、次に急速に開回路になり、その後、良好に動作する。共振器が良好に動作する場合、その動作は、単純なキャパシタの動作に類似である。第２の態様は、このキャパシタである。

　本発明において、ＦＢＡＲが、従来のＬＣフィルタにおけるキャパシタに取って代わる。これらの新しいフィルタは、前のものと同じ応答を有するが、ここでは周波数応答において追加的なノッチ構造を有する。

　従来技術の全域通過フィルタ又は伝送線は、図１に示されている。それぞれの区間のインピーダンスは、インダクタンス及びキャパシタンスの関数である。具体的には、

　Ｚ₀＝√（Ｌ／Ｃ）　　　　　（式１）

　すべての区間が信号源及び負荷と同じインピーダンスを有する場合、構造は、位相シフタとして機能する。さらに多くの区間が直列に接続されている場合、位相シフトは増加する。区間のインピーダンスを変更すれば、構造は、信号源からのインピーダンスを負荷に変換する。１つの例において、線路は、ある周波数において１３．２５Ωのインピーダンス及び９０°の位相長さを有する区間を有する。この時、これは、３．５Ωと５０Ωとの間を変換するインピーダンス変換器としても動作する。

　この構造は、ローパス周波数応答も有することができる。図２におけるように、図１におけるキャパシタのいくつかを共振器に置き換えた結果、ノッチフィルタが生じる。共振周波数において、共振器は短絡回路である。共振周波数は、Ｌ及びＣの関数であり、具体的には、

　ｆ₀＝１／（２π√（ＬＣ））　　　　　（式２）

　伝送線は、全体として、インピーダンスが変化し、存在するなんらかの信号の通過を妨害する。共振器は、例えば第２高調波において回路を短絡するように選択することができる。その結果生じる周波数応答は、第２高調波をノッチ状に減衰する。１つの実施例において、１３．２５Ωのインピーダンス及び９０°の位相長さを有する場合、整合回路網は、３．５Ωを５０Ωに変換し、かつ第２高調波をノッチ状に減衰する。これは、電力増幅器に対する典型的な整合構造である。除去すべき信号が、通過帯域から１オクターブ離れているかぎり、集中素子によるこのフィルタの実施は、現実的である。利用可能なキャパシタ及びインダクタの変動性及び損失性は、通過帯域の近くにおいて、どのくらい多くフィルタリングすることができるかを限定する。

　図３は、本発明の二重ノッチフィルタ１０を示している。フィルタは、電気的に直列接続された複数のインダクタ１２_xを有する。少なくとも１つの音響共振器１４_xが、少なくとも２つのインダクタ１２_x、１２_x+1及びアースに接続されている。第２の複数のインダクタ１６_xは、少なくとも１つの音響共振器とアースとの間に配置されている。

　共振器は、その共振周波数の外側においてキャパシタと同様に動作する。キャパシタをＦＢＡＲに置き換えることは、フィルタの特性に影響を及ぼさない。しかしながらＦＢＡＲは、それ自身の自己共振を有する。この自己共振周波数において、共振器は、キャパシタから短絡回路に、開回路に、そしてキャパシタに戻るように急速に遷移する。このＦＢＡＲ共振は、標準のＬＣ共振器とは無関係に、開及び短絡回路を提供する。その結果、追加的なノッチを有する構造が生じ、このノッチは、非常に高品質の共振器によって提供される特性を有する。このノッチは、通常のインダクタ及びキャパシタによって可能であるものよりも、ずっと鋭くかつ通過帯域に近いものであることができる。この時、これは、二重ノッチフィルタ変換器である（図３に示す）。構造は、すべての高い領域のＧＳＭ伝送帯域（１７１０ないし１９１０ＭＨｚ）を通すことができ、ＬＣ共振器によって第２高調波（３４２０ないし３８２０ＭＨｚ）をノッチ状に減衰することができ、３．５Ωから５０Ωにインピーダンスを変換することができ、かつＦＢＡＲによってＵＭＴＳ　Ｒｘ帯域（２１１０ないし２１７０ＭＨｚ）をノッチ状に減衰することができる。

　図４は、本発明の全域通過／ローパスノッチフィルタ２０を示している。フィルタ２０は、電気的に直列接続された複数のインダクタ２２_xを有する。複数のインダクタの各ノードにおいて、音響共振器２４_xは、例えばＦＢＡＲは、少なくとも１つのインダクタ２２_xとアースとの間に接続されている。

　図５Ａ〜図５Ｄは、図１に示した従来技術の全域通過フィルタの周波数応答、及び図４に示した本発明の周波数応答を示している。図５Ａは、図１に示した従来技術のフィルタの周波数応答を示している。図５Ｂ〜図５Ｄは、図４に示した新規のフィルタに向けられている。図５Ｂは、周波数応答を示している。図５Ｃは、通過帯域周波数応答を示している、図５Ｄは、ノッチ周波数応答を示している。

　図６は、従来技術の集中素子バンドパスフィルタを示している。

　図７は、本発明のノッチフィルタ３０によるバンドパスを示している。フィルタ３０は、各複数の段が交互になるように接続された第１の複数の段３２_x及び第２の複数の段３４_xを有する。第１の複数の段に関し、各段は、アースに接続されており、並列に接続されたインダクタ３６及び共振器３８を有する。第２の複数の段に関し、各段は、電気的に直列接続されたインダクタ４０及び共振器４２を有する。

　図８Ａ〜図８Ｃは、図６に示した従来技術のバンドパスフィルタの周波数応答、及び図７に示した本発明の周波数応答を示している。図８Ａは、図６に示した従来技術のフィルタの周波数応答を示している。図８Ｂ〜図８Ｃは、図７に示した新規のフィルタに向けられている。図８Ｂは、周波数応答を示している。図８Ｃは、ノッチ周波数応答を示している。

　図９は、従来技術のハイパスフィルタを示している。

　図１０は、本発明のノッチフィルタ５０によるハイパスを示している。フィルタは、電気的に直列接続された複数の音響共振器５２_xを有する。複数の共振器の各ノードにおいて、インダクタ５４_xが、ノードとアースの間に接続されている。

　図１１Ａ〜図１１Ｄは、図９に示す従来技術のハイパスフィルタの周波数応答、及び図１０に示す本発明の周波数応答を示している。図１１Ａは、図９に示した従来技術のフィルタの周波数応答を示している。図１１Ｂ〜図１１Ｄは、図１０に示した新規のフィルタに向けられている。図１１Ｂは、周波数応答を示している。図１１Ｃは、バンドパス周波数応答を示している。図１１Ｄは、ノッチ周波数応答を示している。

　新規性は、２つの態様において薄膜バルク弾性波共振器を利用して新しいクラスのフィルタを作り出すことにある。第１のものは、フィルタ回路網におけるキャパシタとして、上記共振器を形成するバルクキャパシタを利用することにある。第２の態様は、特定の周波数をノッチ状に減衰する共振器として上記共振器を利用することにある。この組合せの結果、別の方法では作り出すことができないフィルタ特性が生じる。

従来技術の全域通過フィルタを示す図である。 従来技術のノッチフィルタを示す図である。 本発明の二重ノッチフィルタを示す図である。 本発明の全域通過／ローパスノッチフィルタを示す図である。 図１に示す従来技術の全域通過フィルタの周波数応答を示す図である。 図４に示す実施例に対応する周波数応答を示す図である。 図４に示す実施例に対応するバンドパス周波数応答を示す図である。 図４に示す実施例に対応するノッチ周波数応答を示す図である。 従来技術の集中素子バンドパスフィルタを示す図である。 本発明のノッチフィルタによるバンドパスを示す図である。 図６に示す従来技術のフィルタの周波数応答を示す図である。 図７に示す実施例に対応する周波数応答を示す図である。 図７に示す実施例に対応するノッチ周波数応答を示す図である。 従来技術のハイパスフィルタを示す図である。 本発明の追加的な共振器ノッチによるハイパスフィルタを示す図である。 図９に示す従来技術のフィルタの周波数応答を示す図である。 図１０に示す実施例に対応する周波数応答を示す図である。 図１０に示す実施例に対応するバンドパス周波数応答を示す図である。 図１０に示す実施例に対応するノッチ周波数応答を示す図である。

符号の説明

１０、２０、３０、５０：フィルタ
１２_x、１６_x、２２_x、３６、４０、５４_x：インダクタ
１４_x、２４_x、３８、４２、５２_x：音響共振器

Claims (11)

1. 　電気的に直列接続された複数のインダクタと、
   　前記インダクタの少なくとも１つとアースとの間に接続された音響共振器を各脚が有する複数の脚と、
   　を備え、少なくとも１つの周波数帯域が、周波数応答においてノッチ状に減衰する、フィルタ。
2. 　前記１つの周波数が、前記音響共振器の共振周波数である、請求項１に記載のフィルタ。
3. 　少なくとも２つの脚が、前記音響共振器とアースとの間に配置されたインダクタを有する、請求項１に記載のフィルタ。
4. 　前記音響共振器の前記共振周波数が、前記フィルタの出力端子において５０オームのインピーダンスを提供する、請求項３に記載のフィルタ。
5. 　前記音響共振器が、薄膜バルク弾性波共振器及び表面弾性波共振器を含むグループから選択される、請求項３に記載のフィルタ。
6. 　前記音響共振器が、薄膜バルク弾性波共振器及び表面弾性波共振器からなるグループから選択される、請求項１に記載のフィルタ。
7. 　電気的に直列接続された第１の複数の音響共振器と、
   　前記音響共振器の少なくとも１つとアースとの間に各インダクタが接続された第１の複数のインダクタと、
   　を備え、少なくとも１つの周波数が、周波数応答においてノッチ状に減衰される、フィルタ。
8. 　前記１つの周波数が、前記音響共振器の共振周波数である、請求項７に記載のフィルタ。
9. 　前記音響共振器が、薄膜バルク弾性波共振器及び表面弾性波共振器を含むグループから選択される、請求項８に記載のフィルタ。
10. 　前記複数の音響共振器のうちの２つの間に各インダクタが接続された第２の複数のインダクタと、
    　前記第１の複数のインダクタのうちの１つに対して各共振器が並列に接続された第２の複数の共振器と、
    　をさらに備えている、請求項７に記載のフィルタ。
11. 　前記第１及び第２の複数の音響共振器のうちの１つが、薄膜バルク弾性波共振器及び表面弾性波共振器を含むグループから選択される、請求項１０に記載のフィルタ。
    

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