JP2010050626A - 弾性表面波フィルタ - Google Patents

Abstract

【課題】共振器型一方向性電極により入力側電極及び出力側電極を構成したＳＡＷフィルタにおいて、通過帯域の端部まで群遅延時間特性を良好にすること。
【解決手段】入力側電極に通過帯域の中心周波数の周波数信号を入力した時点から当該周波数信号に対応する信号が出力側電極から出力されるまでの遅延時間をＴ（μｓ）、弾性表面波の伝播速度をＶ（ｍ／ｓ）とすると、Ｔ×Ｖで表される入力電極から出力電極までの弾性表面波の伝播距離Ｄ（ｍｍ）を、入力電極におけるシールド電極とは反対側の端部から出力電極におけるシールド電極とは反対側の端部までの寸法Ｌ（ｍｍ）で規格化したＤ／Ｌを０．５２＜Ｄ／Ｌ＜０．６５に設定する。
【選択図】図１

Description

本発明は、共振器型一方向性電極を用いた弾性表面波フィルタに関し、特に群遅延特性を良好にすることを可能とした弾性表面波フィルタに関する。

弾性表面波フィルタであるＳＡＷ（surface acoustic wave）フィルタは、高性能、小型化、量産性等に優れていることから、広く通信分野で利用され、その一つとして共振器型一方向性電極を用いたものがある。このＳＡＷフィルタの構造について本発明の実施形態である図１を利用して簡単に説明すると、圧電基板２１上に各々共振器型一方向性電極からなる入力側電極３Ａと出力側電極３ＢとがＳＡＷの伝搬方向に並べて設けられ、これらの間にシールド電極２３が形成されている。入力側電極３Ａ及び出力側電極３Ｂは、バスバー３１ａ、３１ｂとＳＡＷを励振させるための交叉指状電極３２ａ、３２ｂ及び励振に寄与しないダミー電極３３ａ、３３ｂとにより構成されている。

共振器型一方向性電極を用いたＳＡＷフィルタは、内部反射が強く、ＳＡＷのエネルギーを閉じ込める反射面がＳＡＷの伝搬方向（バスバーの伸長方向）に存在しており、この反射面は前記交叉指状電極３２ａ、３２ｂの中心（励振中心）に存在している。そして、ＳＡＷフィルタは、前記反射面間における多重反射を利用して、ＳＡＷを入力側電極３Ａから出力側電極３Ｂへ伝搬することができるように、両電極３Ａ、３Ｂの間隔や交叉指状電極３２ａ、３２ｂの幅等が適切に調整されて構成されている。

ところで最近において基地局にて使用する通信装置においては、端末側における変調精度の悪化を抑えるためなどの理由から、通過帯域の端部分まで高品質な通信を行えるように通信モジュールを構成することが要請されている。この要請をより具体的に述べると、通過帯域の端から端まで良好な振幅特性を満足することは勿論、群遅延特性も満足することが要求されている。群遅延特性とは、入力側電極３Ａに周波数信号が入力されてから出力側電極３Ｂからその周波数信号に対応する信号が出力されるまでの遅延時間について、通過帯域内における最大時間と最小時間との差（群遅延偏差）と帯域との関係を示す特性である。後述の実施の形態にて説明する図９は、群遅延特性の一例を振幅特性と共に示した図であり、左側の縦軸が信号強度、右側の縦軸が遅延時間を夫々示している。図９中、ｆ０は通過帯域の中心周波数である。遅延時間は周波数に応じて変化しており、周波数の軸に対して波を打っている格好になっている。そして通過帯域における端部を除いた帯域では遅延時間の最大時間と最小時間との差は小さい。つまり周波数の軸からみて遅延時間の波の変化幅が小さい。

しかし、通過帯域の端部では遅延時間が中央帯域よりもかなり大きいことから、端部まで含めた通過帯域においては群遅延偏差が大きくなっている。本発明者は、入力側電極３Ａ及び出力側電極３Ｂ間の弾性表面波の伝搬距離をＤとしたとき、この伝搬距離ＤをＳＡＷフィルタの伝搬方向の寸法（電極群の領域について伝搬方向の両端間の距離）Ｌで規格したＤ／Ｌと、端部まで含めた通過帯域における群遅延偏差の良し悪しとが関連していることを突き止めた。伝搬距離Ｄ（ｍｍ）は、表面波の伝搬速度をＶ（ｍ／ｓ）、通過帯域における中心周波数ｆ０の周波数信号についての遅延時間をＴ（μｓ）とするとＴ＝Ｄ／Ｖの関係にある。なお圧電基板が水晶基板であれば、Ｖは３１５０ｍ／ｓ（秒）である。

従来では比率Ｄ／Ｌが適切に設定されていないため、端部まで含めた通過帯域における群遅延偏差が大きくなっていることを把握した。その要因は、従来では平坦な群遅延偏差の帯域幅における弾性表面波の伝搬が速いという要請から、比率Ｄ／Ｌが概ね０．６８程度に設定されていたことによる。

ところで要求される通過帯域の端部まで良好な群遅延特性を得ようとするのであれば、フィルタ側の通過帯域を広く取っていわばマージンを確保する方法が考えられるが、その場合要求される通過帯域の近傍の減衰量を十分取れなくなり、通信装置の仕様を満たさなくなる。

一方、このような課題を解決するＳＡＷフィルタとして、特許文献１では圧電基板上に入力側及び出力側の共振器型一方向性電極とを絶縁膜を介して互いに重ねる構成とし、ＳＡＷの伝搬距離を短縮することにより、群遅延時間を改善するＳＡＷフィルタが記載されており、また、特許文献２では、入力側及び出力側の共振器型一方向性電極を斜めに配置し、互いの励振中心の距離をＳＡＷの周波数に基づいて変化させることにより、群遅延時間を改善するＳＡＷフィルタが記載されている。

特開 平０１−３１９３１４号公報 特開 ２００２−０５７５５１号公報(段落００１６)

本発明は、このような事情の下になされたものであり、その目的は通過帯域の端部まで良好な群遅延特性を得ることができるＳＡＷフィルタを提供することにある。

圧電基板上に互いに対向する一対のバスバーと各バスバーから各々交差するように櫛歯状に伸び出した多数の電極指とを設けて構成した共振器型一方向性電極により入力側電極及び出力側電極を構成し、入力側電極及び出力側電極の間にシールド電極を設けた弾性表面波フィルタにおいて、
前記入力側電極に通過帯域の中心周波数の周波数信号を入力した時点から当該周波数信号に対応する信号が出力側電極から出力されるまでの遅延時間をＴ（μｓ）、弾性表面波の伝播速度をＶ（ｍ／ｓ）とすると、Ｔ×Ｖで表される入力電極から出力電極までの弾性表面波の伝播距離Ｄ（ｍｍ）を、入力電極におけるシールド電極とは反対側の端部から出力電極におけるシールド電極とは反対側の端部までの寸法Ｌ（ｍｍ）で規格化したＤ／Ｌが０．５２＜Ｄ／Ｌ＜０．６５であることを特徴とする弾性表面波フィルタ。

本発明は、遅延時間Ｔと圧電基板上の弾性表面波の伝搬速度とで決まる、入力側電極の励振中心から出力側電極の励振中心までの伝搬距離Ｄを、ＳＡＷフィルタにおける電極配置領域の伝搬方向両端間の距離（入力電極におけるシールド電極とは反対側の端部から出力電極におけるシールド電極とは反対側の端部までの寸法）Ｌで規格化したＤ/Ｌの値を、適切な範囲（０．５２＜Ｄ/Ｌ＜０．６５）に設定しているため、通過帯域の端部まで振幅特性と群遅延時間特性とについて良好な特性を得ることができる。

本発明の実施形態に係るＳＡＷフィルタ２は、図１に示すようにＳＴカット水晶ウエハを圧電基板２１として用いて、比帯域０．１８％のＧＳＭ基地局用に製造され、２４０ＭＨｚ帯の特性を有するように構成されている。前記圧電基板２１上には各々共振器型一方向性電極からなる入力側電極３Ａ及び出力側電極３Ｂとが設けられ、これら入力側電極３Ａ及び出力側電極３Ｂの間にシールド電極２３が形成されている。

入力側電極３Ａ及び出力側電極３Ｂは、圧電基板２１上をＳＡＷが伝搬する方向に沿って、並行して伸長した１対のバスバー３１ａ、３１ｂを有しており、一方のバスバー３１ａからは交叉指状電極３２ａが他方のバスバー３１ｂに向かって伸びると共に他方のバスバー３１ｂからは交叉指状電極３２ｂが一方のバスバー３１ａに向かって伸び、全体として櫛歯上の形態を取っている。これら交叉指状電極３２ａ、３２ｂは、ＩＤＴ（Inter Digital Transducer）に相当する。

具体的にはこれら交叉指状電極３２ａ、３２ｂは交互に等間隔で配列されているわけではなく、一本あるいは複数本の交叉指状電極３２ａが交叉指状電極３２ｂに挟まれると共に、一本あるいは複数本の交叉指状電極３２ｂが交叉指状電極３２ａに挟まれる形態を取っている。前記交叉指状電極３２ａの延長線上にはバスバー３１ｂから伸長したダミー電極３３ａが設けられ、また、交叉指状電極３２ｂの延長線上にはバスバー３１ａから伸長したダミー電極３３ｂが夫々設けられている。これらダミー電極３３ａ、３３ｂの役割は、横モードの高次波が伝搬するときに正または負に帯電することで、交叉指状電極３２ａ、３２ｂに励起される電荷を中和してバスバー３１ａ、３１ｂ付近に漏れ出す電荷のエネルギーを抑える役割を有している。

入力側電極３Ａ及び出力側電極３Ｂの各交叉指状電極３２ａ、３２ｂの数、幅及び配列間隔は、入力側電極３ＡにおけるＳＡＷの伝搬方向中央部と、出力側電極３ＢにおけるＳＡＷの伝搬方向中央部との間で、ＳＡＷが多重反射して入力側電極３Ａ側から出力側電極３Ｂ側に向かって（一方向に）強く伝搬するように構成されている。また、各バスバー３１ａから伸びた交叉指状電極３２ａとバスバー３１ｂから伸びた交叉指状電極３２ｂとの交差幅（Ｗ）とバスバー３１ａ、３１ｂ間の開口長（Ｗ０）との比率Ｗ／Ｗ０は例えば０．８５である。

シールド電極２３は、夫々バスバー３１ａ、３１ｂに並行するバスバー２４ａ、２４ｂと各バスバー２４ａ、２４ｂとの間を接続する電極指２５とを備えており、入力側電極３Ａと出力側電極３Ｂとの電磁的かつ静電気的結合を抑制して、帯域外のフロアレベルを改善する役割を有している。

入力側電極３Ａの励振中心Ａ１は、入力側電極３ＡにおけるＳＡＷの伝搬方向中間付近に位置し、また出力側電極３Ｂの励振中心Ｂ１は、出力側電極３ＢにおけるＳＡＷの伝搬方向中間付近に位置している。入力側電極３Ａの励振中心Ａ１と出力側電極３Ｂの励振中心Ｂ１との距離は、ＳＡＷの伝搬距離Ｄに相当し、この伝搬距離Ｄは、ＳＡＷの伝搬速度をＶとし、ＳＡＷの遅延時間をＴとするとＴ＝Ｄ/Ｖの関係がある。例えば、圧電基板２１に水晶基板を使用した場合には、伝搬速度Ｖは３１５０ｍ/ｓであり、通過帯域の中心周波数ｆ０における遅延時間Ｔ＝３．０μｓとした時、伝搬距離Ｄは９．４５ｍｍとなる。

そして入力側電極３Ａにおけるシールド電極２３とは反対側の端部Ａ２から出力側電極３Ｂにおけるシールド電極２３とは反対側の端部Ｂ２までの寸法つまりＳＡＷフィルタの両端間の寸法をＬ（ｍｍ）とすると、通過帯域の中心周波数ｆ０におけるＳＡＷの伝搬距離Ｄ（ｍｍ）を前記Ｌ（ｍｍ）で規格化したＤ／Ｌが０．５２＜Ｄ／Ｌ＜０．６５に設定されている。

このように構成されたＳＡＷフィルタでは、入力側電極３Ａに周波数信号を印加すると入力側電極３Ａの交叉指状電極３２ｂが励振し、圧電基板２１上にＳＡＷが発生する。このＳＡＷは、圧電基板２１上を伝搬し、出力側電極３Ｂにて周波数信号に変換され、入力側電極３Ａに印加された時点から遅延時間Ｔだけ遅れて出力信号が取り出されることになる。

このように本実施形態のＳＡＷフィルタよれば、伝搬距離Ｄ（ｍｍ）を前記Ｌ（ｍｍ）で規格化したＤ／Ｌが０．５２＜Ｄ／Ｌ＜０．６５に設定することにより、後述の試験結果から明らかなように通過帯域の端部まで振幅特性と群遅延時間特性とについて良好な特性を得ることができる。

以下に本発明の効果を裏付ける試験結果について述べる。この試験では、電極周期をλ、電極厚みをＨとし、例えば、前記Ｌが１１８０λ、電極厚みＨを電極周期λで規格化した膜厚Ｈ/λが１．７％、比帯域幅（通過帯域の周波数差ｆｄを中心周波数ｆ０で割った値）Ｗが０．３２％の条件の下、圧電基板２１として水晶基板を用いたときの測定結果である。

図２は、縦軸に挿入損失、横軸にＤ/Ｌをとったものであり、ここでいう挿入損失とは、減衰量の最小値を示している。この図２よりＤ/Ｌが大きくなるに従って、挿入損失が概ね増加していくことが分かり、挿入損失が７．０ｄＢ以下となるのは、Ｄ/Ｌが０．６７以下の範囲にあることが読み取れる。

図３は、縦軸に振幅偏差、横軸にＤ/Ｌをとったものである。振幅偏差とは通過帯域において挿入損失の最大値と最小値との差を示したものであり、振幅偏差が小さい程、通過帯域の平坦性が良好となる。この図３よりＤ/Ｌの増加と共に概ね、振幅偏差は減少していき、通過帯域内の振幅偏差が１．７ｄＢ以下となるのはＤ/Ｌが０．５２以上であることがわかる。

図４は、縦軸に群遅延偏差、横軸にＤ/Ｌをとったものである。群遅延偏差とは、比帯域幅における評価帯域内にて遅延時間の最大値、最小値との差である。ここでは、評価帯域として、第１の評価帯域、第２の評価帯域及び第３の評価帯域の３つを設定し、第１の評価帯域を比帯域幅Ｗそのもの、第２の評価帯域を比帯域幅Ｗに対して０．８７５の帯域、第３の評価帯域を比帯域幅Ｗに対して０．７５の帯域とした。なお、第２の評価帯域幅及び第３の評価帯域幅の中心周波数は比帯域幅Ｗの中心周波数と同じである。この図４より、第１の評価帯域（Ｗ×０．７５）では、群遅延偏差が０．７μｓ以下となるのはＤ/Ｌが０．５２以上０．６５以下であることが読み取れる。また、第２の評価帯域（Ｗ×０．８７５）では、群遅延偏差が１．０μｓ以下となるのはＤ/Ｌが０．４５以上０．６５以下であることが読み取れる。更に、第３の評価帯域（Ｗ×１．０）では、群遅延偏差が１．６μｓ以下となるのはＤ/Ｌが０．５２以上０．６５以下であることが分かる。従って、Ｄ/Ｌが０．５２＜Ｄ/Ｌ＜０．６５付近の場合に群遅延偏差が低い値となることが分かる。

図５は、縦軸に比帯域幅、横軸にＤ/Ｌをとったものである。この図５より、比帯域幅はＤ/Ｌの値の変化によらず概ね一定であることが見て取れ、このことから、群遅延特性は比帯域幅の変動に影響を受けないことが分かる。
以上の試験結果により、良好な群遅延特性を得ることができる領域はＤ/Ｌが０．５２＜Ｄ/Ｌ＜０．６５以下の範囲内にある時となる。

次に、Ｄ/Ｌが０．５７である本発明のＳＡＷフィルタについて、振幅特性及び群遅延特性を図６に示す。図６の横軸は、通過帯域の中心周波数を「１．０」として各周波数ｆを規格化（ｆ／ｆ０）した規格化周波数である。また、図中４１は振幅特性、４２は群遅延特性を示したものである。図６より通過帯域の端部における遅延時間が大きく、通過帯域の中央部での遅延時間との差が小さいことがわかる。また、挿入損失は６．２ｄＢ、メイン遅延時間（中心周波数ｆ０における遅延時間）は２．９μｓであり、振幅偏差は１．４ｄＢであった。また、群遅延偏差は、第１の評価帯域（Ｗ×０．７５）の時は０．５５μｓ、第２の評価帯域（Ｗ×０．８７５）の時は０．７０μｓ、第３の評価帯域（Ｗ×１．０）の時は１．２８μｓであった。また、図７は図６の時間応答特性であり、最大値が２．９μｓと読み取ることができ、メイン遅延時間が２．９μｓであることが分かる。以上のことより、挿入損失は従来の値と概ね同じであり良好な振幅特性を維持している。また、群遅延時間は通過帯域の端部と中央部との間のばらつきが少なく、群遅延特性は良好であるということができる。

次に、Ｄ/Ｌの値が０．６８の従来のＳＡＷフィルタについて、振幅特性及び群遅延特性を図８に示す。この図８より通過帯域の端部では遅延時間が小さく、中央部での遅延時間との差が大きくなっているのが分かる。又、挿入損失は７．１ｄＢ、メイン遅延時間は３．８μｓであり、振幅偏差は１．３ｄＢであった。また、群遅延偏差は、第１の評価帯域（Ｗ×０．７５）の時は０．８９μｓ、第２の評価帯域（Ｗ×０．８７５）の時は１．１５μｓ、第３の評価帯域（Ｗ×１．０）の時は２．０１μｓであった。以上のことより、群遅延特性が通過帯域の端部において悪いこと、挿入損失が大きいこと、また評価帯域を大きくすると群遅延時間が劣化していることが分かる。

続いて、Ｄ/Ｌの値が本発明の範囲より小さい場合、例えば、Ｄ/Ｌの値が０．３３の場合を図９を用いて説明する。この図より通過帯域の端部では遅延時間が小さく、図８と同じように中央部での遅延時間との差が大きくなっているのが分かり、また、挿入損失は５．３ｄＢ、メイン遅延時間は１．８μｓであり、振幅偏差は２．８ｄＢであった。以上のことより、挿入損失は小さいため良好といえるが、振幅偏差の値が大きいため、平坦な帯域内特性が得られていないことが分かる。

上述した本発明に係る実施形態によれば、遅延時間Ｔと圧電基板上の弾性表面波の伝搬速度とで決まる入力側電極３Ａの励振中心Ａ１から出力側電極３Ｂの励振中心Ｂ１までの伝搬距離Ｄを、ＳＡＷフィルタにおける電極配置領域の伝搬方向両端間の距離Ｌで規格化したＤ/Ｌの値を、適切な範囲である０．５２＜Ｄ/Ｌ＜０．６５に設定しているため、通過帯域の端部まで振幅特性と群遅延時間特性とについて良好な特性を得ることができる。

本発明の実施形態に係るＳＡＷフィルタの構成図である。 Ｄ/Ｌの変化に基づく挿入損失の変化を示したグラフである。 Ｄ/Ｌの変化に基づく振幅偏差の変化を示したグラフである。 Ｄ/Ｌの変化に基づく群遅延偏差の変化を示したグラフである。 Ｄ/Ｌの変化に基づく比帯域幅の変化を示したグラフである。 本発明の実施形態に係る振幅特性及び群遅延特性を示したグラフである。 本発明の実施形態に係る時間応答特性を示したグラフである。 従来の振幅特性及び群遅延特性を示したグラフである。 従来の振幅特性及び群遅延特性を示したグラフである。

符号の説明

２１ 圧電基板
２３ シールド電極
３Ａ 入力側電極
３Ｂ 出力側電極
３２ａ、３２ｂ 交叉指状電極
Ｄ 伝搬距離
Ｌ 伝搬方向の寸法

Claims (1)

1. 圧電基板上に互いに対向する一対のバスバーと各バスバーから各々交差するように櫛歯状に伸び出した多数の電極指とを設けて構成した共振器型一方向性電極により入力側電極及び出力側電極を構成し、入力側電極及び出力側電極の間にシールド電極を設けた弾性表面波フィルタにおいて、
   前記入力側電極に通過帯域の中心周波数の周波数信号を入力した時点から当該周波数信号に対応する信号が出力側電極から出力されるまでの遅延時間をＴ（μｓ）、弾性表面波の伝播速度をＶ（ｍ／ｓ）とすると、Ｔ×Ｖで表される入力電極から出力電極までの弾性表面波の伝播距離Ｄ（ｍｍ）を、入力電極におけるシールド電極とは反対側の端部から出力電極におけるシールド電極とは反対側の端部までの寸法Ｌ（ｍｍ）で規格化したＤ／Ｌが０．５２＜Ｄ／Ｌ＜０．６５であることを特徴とする弾性表面波フィルタ。

Images