JP2004201234A - トランスバーサル型ｓａｗフィルタ - Google Patents

Abstract

【課題】トランスバーサル型ＳＡＷフィルタの小型化と低挿入損失とを可能とするＩＤＴ電極を得る。
【解決手段】入出力ＩＤＴ電極の対数をそれぞれＮ１、Ｎ２としたトランスバーサル型ＳＡＷフィルタであって、前記入出力ＩＤＴ電極対数Ｎ１、Ｎ２の和に対する前記入力ＩＤＴ電極対数比Ｎ１／（Ｎ１＋Ｎ２）を２２．８％より大きく２９．８％より小さく設定し、且つ正、負及び零の反射重み付けを施したＩＤＴ電極とする。
【選択図】 図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はトランスバーサル型ＳＡＷフィルタに関し、特に圧電基板を小型化する際に挿入損失を改善したトランスバーサル型ＳＡＷフィルタに関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、弾性表面波フィルタ（以下、ＳＡＷフィルタと称す）は通信分野で広く利用され、高性能、小型、量産性等の優れた特徴を有することから特に携帯電話等に多く用いられている。ここ数年の携帯電話の急速な普及、中でも画像等のデータ通信の需要増により、従来のＰＤＣ、ＡＭＰＳ方式等の狭帯域キャリアを用いる通信方式から、高速大容量に適した広帯域キャリアを使うＣＤＭＡ方式が急速に普及しつつある。
ＣＤＭＡ端末機に用いられるＩＦフィルタは高速大容量のデータを伝送するため、小型軽量、広帯域、低挿入損失であると共に、隣接のキャリアを阻止する急峻な減衰傾度が要求される。さらに、ＩＦフィルタは高速なデジタルデータの品質を保持するため、位相の直線性も要求される。例えば、図４は北米ＣＤＭＡ用ＩＦフィルタとして用いられる、中心周波数183.6MHz、通過帯域幅1.23MHzの典型的なフィルタ仕様である。このような厳しい仕様を満たすフィルタとしては、振幅特性と位相特性とをそれぞれ個別に設計可能なトランスバーサル型ＳＡＷフィルタが適している。
【０００３】
図５は従来のトランスバーサル型ＳＡＷフィルタの構成を示す平面図であって、圧電基板２１の主表面上に表面波の伝搬方向に沿って２つのＩＤＴ電極２２、２３を所定の間隙を空けて配置すると共に、該ＩＤＴ電極２２、２３の間に電極２４を配設する。ＩＤＴ電極２２、２３はそれぞれ互いに間挿し合う複数の電極指を有する一対のくし形電極より構成されており、ＩＤＴ電極２２の一方のくし形電極を入力端子INに接続すると共に、他方のくし形電極は接地する。ＩＤＴ電極２３の一方のくし形電極を出力端子OUTに接続すると共に、他方のくし形電極は接地し、トランスバーサル型ＳＡＷフィルタを構成する。また、ＩＤＴ電極２２、２３の間に設けたベタ電極２４は入出力端子間の直達波の遮蔽用として機能している。なお、圧電基板２１の長辺方向（表面波伝搬方向）の両端に粘着材３１を塗布して不要反射波を抑圧するのが一般的である。
【０００４】
図５のような正規型ＩＤＴ電極を用いて表面波を励起した場合、表面波は伝搬方向に沿って左右に等しく伝搬するために、挿入損失は大きくなるという問題があった。この問題を改善すべく単相一方向性変換器（SPUDT）が考案された。ここで、SPUDTの電極構成について少し説明する。図６はSPUDTの基本区間ＩＤＴ電極の一例とその作用を説明するための図であって、図中左端を原点とした場合、それぞれの電極指の中心座標ｄ１、ｄ２、ｄ３と、電極指幅ｗ１、ｗ２、ｗ３を図に示した値のように設定すると、このSPUDT基本区間ＩＤＴ電極の反射中心の座標ｄ１は（（λ/4）／λ）・２π＝90°となり、励振中心の座標ｄ２は（0.625λ／λ）・２π＝225°付近となり、図中右方へ表面波を強く励振できることが知られている。ここで、λとは弾性表面波の波長であり、基本区間の長さに対応する。
また、図７はSPUDT基本区間ＩＤＴ電極の別の例であり、励振作用は有するものの反射作用が無いSPUDTである。
【０００５】
図８（ａ）は、SPUDT基本区間ＩＤＴ電極を複数個配置してＩＤＴ電極を構成したトランスバーサル型ＳＡＷフィルタを示す図であって、図中左側のＩＤＴ電極は図６に示す一方向に強く表面波を励起するSPUDT基本区間ＩＤＴ電極を３つ配置したものであり、図中右方への表面波を強く励振することができ、図中右側のＩＤＴ電極は図中左側のＩＤＴ電極と対称に構成されているので、左方から伝搬する表面波を効率よくピックアップし、電気信号に変換することができる。このようなSPUDTを入出力ＩＤＴ電極として用いることにより、トランスバーサル型ＳＡＷフィルタの挿入損失は大幅に低減されるようになった。
【０００６】
しかし、入出力ＩＤＴ電極にSPUDTのみを用いてトランスバーサル型ＳＡＷフィルタを構成すると、挿入損失は低減するもののＩＤＴ電極の方向性が強すぎるため、フィルタの位相歪みが発生するという問題があった。そこで、ＩＤＴ電極をSPUDTと、反射電極が間引かれて方向性が無い、所謂反射間引き電極とで構成することにより、ＩＤＴ電極全体として適度な方向性を持たせ、低挿入損失と位相直線性とを共に実現する設計手法が考案された。これは、低挿入損失と位相直線性を同時に満たすように、ＩＤＴ電極の反射に重み付けをしたとも云える。図８（ｂ）はそのようなトランスバーサル型ＳＡＷフィルタの例であり、入力ＩＤＴ電極２８は図６に示す基本区間ＩＤＴ電極αと、図７に示す基本区間ＩＤＴ電極βとをαβαの順に配置して、反射に重み付けを施した構成例である。
【０００７】
一方、トランスバーサル型ＳＡＷフィルタのカットオフ特性をさらに急峻にするために、上述のような反射の重み付けに加えて、ＩＤＴ電極に励振の間引き重み付けを施す手法も考案されている。また、米国特許5,703,427号には、方向性の異なるSPUDT 基本区間ＩＤＴ電極を組み合わせて、ＩＤＴ電極内部に幾つかの局所的な共振キャビティを生じさせ、ＩＤＴ電極全体としては一方向性を持たせた変換器、即ち内部共振型一方向性変換器（RSPUDT）を用いたトランスバーサル型ＳＡＷフィルタの設計手法が開示されている。
このRSPUDTをＩＤＴ電極に用いたトランスバーサル型ＳＡＷフィルタは、挿入損失が低減すると共に伝送特性が改善されるという特徴がある。つまり、このＩＤＴ電極内は方向性の異なる３つのグループのSPUDTから構成されている。図中右方への伝搬方向を順方向、左方への伝搬方向を逆方向とすれば、順方向のSPUDT 基本区間ＩＤＴ電極を５０λ分配した第１のグループと、逆方向のSPUDT 基本区間ＩＤＴ電極を40λ分配した第２のグループと、更に順方向のSPUDT基本区間ＩＤＴ電極を20λ分配した第３のグループととからなるＩＤＴ電極を用いてトランスバーサル型ＳＡＷフィルタを構成した例と、その伝達応答が示されている。
この米国特許のfig.１１には、ＩＤＴ電極の位置（ＳＡＷの伝搬方向）を横軸にSPUDTの反射係数縦軸にとったグラフが図示されている。反射の重み付けを施したＩＤＴ電極を用いたトランスバーサル型ＳＡＷフィルタが例示されている。同図から、この米国特許発明はＩＤＴ電極に反射係数が正の部分と、反射係数が負の部分と、零の部分とが存在する。ここで反射の正負について簡単に説明する。これまでは正と零の反射重み付けを施したフィルタが一般的であったが上記米国特許発明のものは、これと比べ、挿入損失が7.4dBから6.5dBに低減されること、群遅延時間偏差が200nsecから100nsecに半減されること、第二のサイドローブの減衰量が大きく確保されること、通過帯域が広がること等の特徴を有すると記されている。
【０００８】
このように、SPUDTを用いて正、負及び零の反射重み付けをしたＩＤＴ電極からなるトランスバーサル型ＳＡＷフィルタでは、入力側ＩＤＴ電極及び出力側ＩＤＴ電極のどの位置に左、右どちらの方向性を有するSPUDTをどの程度配置するかによって、フィルタの伝達応答が大きく異なる。通常、入力側ＩＤＴ電極、あるいは出力側ＩＤＴ電極、もしくは入出力両方のＩＤＴ電極に反射と励振の重み付けを施すため、ＩＤＴ電極のどの位置にどの程度の反射の重み付けと、励振の重み付け、即ち励振の有無及びその正、負の両方の重み付けを、要求仕様を満たすように適切に設計することは難しい。そこで、設計しようとするフィルタの伝送特性が要求仕様に近づくように、ＩＤＴ電極に反射と励振との重み付けの最適配置を行う組み合わせ、つまり最適化をコンピューターを用いて行うことが一般的である。
【０００９】
図９は、要求仕様を満たすようにＩＤＴ電極に反射と励振の重み付けの最適配置をシミュレーションによって求めたトランスバーサル型ＳＡＷフィルタの入力側あるいは出力側ＩＤＴ電極の構成例を示す図である。図９のＩＤＴ電極は６個のSPUDT（基本区間ＩＤＴ電極）、即ち６λのＩＤＴ電極からなる構成例である。図９の基本区間ＩＤＴ電極の励振及び反射の作用は図１０に説明してある。励振中心を0〜360°の数値で表すものとする。図９の例では励振中心が90°に位置する場合を正の励振、これとは180°反転した位置、即ち270°に励振中心が位置する場合を負の励振、励振電極が間引かれて存在しない場合は零の励振と表せば、図９のＩＤＴ電極は図中左端から順に、＜零、正、負、零、正、正＞の励振重み付けが施されていることになる。
【００１０】
また、図９において反射中心が135°、あるいは315°に位置する場合を正の反射、これとは90°反転した位置即ち45°、あるいは225°に位置する場合を負の反射、反射電極が間引かれて反射が存在しない場合は零の反射と表せば、図９のＩＤＴ電極は図中左端から順に、＜負、負、零、零、負、正＞の反射重み付けが施されていることになる。
また、基本区間内（λ）の局所的な方向性を左、右で表せば、図９のＩＤＴ電極は図中左端から順に、＜右、右、零、零、右、左＞の方向性を有していると言える。励振電極が間引かれて存在しない電極においては仮に励振中心が90°にあるものとすると、方向性の有無で表せば、図中左端から順に＜有、有、無、無、有、有＞の重み付けが施されていると表すことも出来る。
【００１１】
トランスバーサル型ＳＡＷフィルタの入力側ＩＤＴ電極の対数をＮ１、出力側ＩＤＴ電極の対数をＮ２、ＩＤＴ電極の総対数をＮ（＝Ｎ１＋Ｎ２）とすれば、総対数Ｎに対する入出力ＩＤＴ電極 対数の比は（Ｎ１／Ｎ）、あるいは（Ｎ２／Ｎ）となる。ただ、トランスバーサル型ＳＡＷフィルタは相反性を有しており、入出力を反転して使用することが可能である。よって（Ｎ１／Ｎ）の値を決定すればＮ＝Ｎ１＋Ｎ２であるから、（Ｎ２／Ｎ）＝１−（Ｎ１／Ｎ）と（Ｎ２／Ｎ）の値は一義的に決定されるので、以下入出力ＩＤＴ電極の対数比を、（Ｎ１／Ｎ）を百分率で表現したものをもちいて説明する。
入出力ＩＤＴ電極の対数比（Ｎ１／Ｎ）はトランスバーサル型ＳＡＷフィルタの伝送特性を決定する重要な設計パラメータであるが、ＩＤＴ電極の構成に正、負及び零の反射重み付けした基本区間ＩＤＴ電極を、どういう比率で配分すれば良好な伝送特性が得られるかに関しては、特許5,703,427号にも開示されていない。また、RSPUDTに関するVentura 他の文献"A NEW Concept in SPUDT Design：the RSPUDT(Resonant SPUDT),"IEEE Ultrasonics Symposium Proceedings, pp.1-6, 1994には、入力ＩＤＴ対数と出力ＩＤＴ対数とを同一の352λとした例が示されているが、その理由については説明がない。
【００１２】
パッケージサイズ7.0mm×5.0mm以上に収容する、正、負及び零の反射重み付けを施したトランスバーサル型ＳＡＷフィルタの設計においては、経験則に基づき入出力ＩＤＴ対数比（Ｎ１／Ｎ）を30%から50%の範囲で設計する手法が一般的である。
トランスバーサル型ＳＡＷフィルタのさらなる小型化を図るべく、パッケージサイズを6.0mm×3.5mmに設定し、図４に示した仕様を満たしたＳＡＷフィルタを検討した。パッケージサイズ6.0mm×3.5mmへトランスバーサル型ＳＡＷフィルタ素子を実装する際、パッケージの内容積と装置の位置精度を考慮すると、圧電基板の長辺方向（表面波の伝搬方向）が4.75mm、短辺方向が1.20mm程度の寸法になる。ＳＡＷフィルタ素子の基板の両端に0.3mm程度の吸音材をそれぞれ付着し、入力ＩＤＴ電極と出力ＩＤＴ電極との間に長さ0.25mm程度のベタ電極（シールド電極）を配置するものとする。以上の条件を考慮すると、圧電基板に配置できるＩＤＴ電極の長辺方向の長さは3.9mmとなり、ＩＤＴ電極の電極周期λを約17μmとすれば、ＩＤＴ電極の総対数Ｎは２２８対程度となる。
図１１は、入出力ＩＤＴ対数比（Ｎ１／Ｎ）を３２％として最適化シミュレーションにより求めたフィルタの特性と要求仕様との対比図である。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、図１１に示すように従来の経験則に基づき、入出力ＩＤＴ対数比を30%から50%の範囲に設定して、パッケージサイズ6.0mm×3.5mmのトランスバーサル型ＳＡＷフィルタを最適化シミュレーションにより求めても、挿入損失が規格の１０ｄＢを満たさないという問題があった。
本発明は上記問題を解決するためになされたものであって、6.0mm×3.5mmの小型パッケージを用いても挿入損失を満たすトランスバーサル型ＳＡＷフィルタを提供することを目的とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために本発明に係るトランスバーサル型ＳＡＷフィルタの請求項１記載の発明は、圧電基板に弾性表面波（ＳＡＷ）の伝搬方向に沿って正、負及び零の反射重み付けを施した入出力ＩＤＴ電極を配置したトランスバーサル型ＳＡＷフィルタにおいて、前記入出力ＩＤＴ電極の対数Ｎ１、Ｎ２の和に対する一方のＩＤＴ電極対数Ｎ１の比Ｎ１／（Ｎ１＋Ｎ２）を２２．８％より大きく２９．８％より小さく設定すすることを特徴とするトランスバーサル型ＳＡＷフィルタである。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下本発明を図面に示した実施の形態に基づいて詳細に説明する。
本発明を説明する前に、最適化シミュレーションによって求めたトランスバーサル型ＳＡＷフィルタの伝送特性を評価する関数として定義した仕様達成度Ｆについて少し説明する。従来のパッケージサイズ7mm×5mmに収容するトランスバーサル型ＳＡＷフィルタが、図４の仕様を満たすように正、負及び零の反射重み付けを施すと共に、そのＩＤＴ電極の総対数Ｎを２８０対に設定したフィルタを例に説明する。入出力ＩＤＴ電極対数比（Ｎ１／Ｎ）を２７％から５０％まですこしづつ変化させて、フィルタの最適化を行い、その伝送特性の値を式（１）で定義した仕様達成度Ｆを用いて最適化の度合いを評価した。
【００１６】
【数１】

【００１７】
ここで、specnは要求仕様の全Ｍ個項目中でｎ番目の項目であり、charnは最適化シミュレーションにより求められた、ｎ番目の項目に対する特性値である。また、Wnは多目的関数の最適化手法の一つの重み係数法に用いられる、所謂重み係数であり、各要求項目において重要と判断される項目程大きな値にする。例えば、仕様を全て満たせば、specn−charn=0となるので仕様達成度Ｆは最大値１となる。図１２は入出力ＩＤＴ電極対数比（Ｎ１／Ｎ）毎に最適化シミュレーションを行い、その伝送特性から仕様達成度Ｆを求めてプロットした図である。この図よりパッケージサイズ7.0 mm×5.0mmでは入出力ＩＤＴ対数比（Ｎ１／Ｎ）の最適値は３２％であることが判る。
従来トランスバーサル型ＳＡＷフィルタの最適化シミュレーションは行われるが、入出力ＩＤＴ電極対数比（Ｎ１／Ｎ）をパラメータとしてその最適値を求めた例は今まで報告されていない。パッケージサイズ7.0 mm×5.0mmの例では最適値３２％は、経験則の３０％から５０％の範囲に当てはまる結果となっている。
【００１８】
図４に示した仕様を満たすパッケージサイズ6.0mm×3.5mmの小型トランスバーサル型ＳＡＷフィルタを設計するに当たり、上記の評価関数、即ち仕様達成度Ｆを用いてＩＤＴ電極の最適な構成を求めることにした。パッケージサイズ6.0mm×3.5mmに収容する圧電基板の大きさ、ＩＤＴ電極の総対数Ｎは前述したように、それぞれ4.75mm×1.20mm、228対程度となる。
入出力ＩＤＴ電極対数比（Ｎ１／Ｎ）をパラメータとし、１９．３％から３８．６％まで変化させ、それぞれの入出力ＩＤＴ電極対数比（Ｎ１／Ｎ）に対して最適化シミュレーションを行い、その伝送特性値を式（１）を用いて仕様達成度Ｆを求め、これを図示したものが図１である。
この図より、入出力ＩＤＴ電極対数比が２４．５％、２６．３％、２８．１％の値で要求仕様の全てを満たすようなRSPUDTを用いたトランスバーサル型ＳＡＷフィルタが実現できることが判明した。即ち、多くのＩＤＴ電極対数を配置することのできる大きな基板サイズのフィルタにおいては、入出力ＩＤＴ電極対数比を３０％から５０％としたときにRPUDTの最適設計が可能とされていたが、基板サイズの小型化によってＩＤＴ電極の総対数が少なくなった場合には入出力ＩＤＴ電極対数比を２２．８％よりも大きく、、２９．８％よりも小さな値に設定すると、RPUDTの最適設計が可能となるのである。そこで、このシミュレーション結果を確認するために、入出力ＩＤＴ電極対数比を２６．３％に設定し、最適化設計した電極パターンの代表的な一つを用いて、フィルタを試作、評価した。図２に試作したフィルタの数値データを、図３（ａ）、（ｂ）にパスバンド特性と減衰域特性を示す。試作したフィルタは要求仕様を全て満たしていることが分かる。
【００１９】
【発明の効果】
本発明は、以上説明したように入出力ＩＤＴ電極対数比（Ｎ１／Ｎ）を最適値に設定した後、最適化シミュレーションによりＩＤＴ電極構成を求めるという手法を採用したので、請求項１に記載の発明は小型トランスバーサル型ＳＡＷフィルタの挿入損失を大幅に低減するという優れた効果を表す。
【図面の簡単な説明】
【図１】入出力ＩＤＴ電極対数比（Ｎ１／Ｎ）と仕様達成度Ｆとの関係を示す図である。
【図２】本発明を用いて試作したトランスバーサル型ＳＡＷフィルタの仕様対比図である。
【図３】試作したトランスバーサル型ＳＡＷフィルタの、（ａ）はパスバンド特性、（ｂ）は減衰域特性である。
【図４】北米ＣＤＭＡ用ＩＦフィルタの仕様である。
【図５】正規型ＩＤＴ電極を用いたトランスバーサル型ＳＡＷフィルタの構成を示す図である。
【図６】単相一方向性変換器（SPUDT）の基本区間の一例と、その励振中心及び反射中心を示す図である。
【図７】基本区間ＩＤＴ電極の別の例である。
【図８】（ａ）は複数のSPUDTを用いたトランスバーサル型ＳＡＷフィルタの構成を示す図、（ｂ）は反射間引きＩＤＴ電極を用いたトランスバーサル型ＳＡＷフィルタの構成を示す図である。
【図９】ＩＤＴ電極に反射と励振の重み付けの最適配置を施したトランスバーサル型ＳＡＷフィルタのＩＤＴ電極の構成例を示す図である。
【図１０】実際に使用したSPUDTの例である。
【図１１】パッケージサイズ6.0mm×3.5mmに収容できるように、従来の手法を用いシミュレーションにより求めたフィルタの仕様対比図である。
【図１２】パッケージサイズ7mm×5mmのトランスバーサル型ＳＡＷフィルタで、入出力ＩＤＴ電極対数比Ｎ１／Ｎを２７％から５０％まで変化させて、フィルタの最適化を行った際の対数比Ｎ１／Ｎと仕様達成度Ｆとの関係を示す図である。
【符号の説明】
２１・・・圧電基板、２２，２３，２５，２６，２８，２９・・・ＩＤＴ電極、

Claims (1)

1. 圧電基板に弾性表面波（ＳＡＷ）の伝搬方向に沿って入出力ＩＤＴ電極を配置したトランスバーサル型ＳＡＷフィルタにおいて、
   前記入出力ＩＤＴ電極は正、負及び零の反射重み付けが施されており、前記入出力ＩＤＴ電極の対数Ｎ１、Ｎ２の和に対する一方のＩＤＴ電極対数Ｎ１の比Ｎ１／（Ｎ１＋Ｎ２）を２２．８％より大きく２９．８％より小さく設定すすることを特徴とするトランスバーサル型ＳＡＷフィルタ。

Images