JP2012004978A - 弾性波フィルタ - Google Patents

Abstract

【課題】通過周波数帯域内における損失を抑えながら、通過周波数帯域よりも低域側及び高域側の減衰量を大きくすること。
【解決手段】２つの縦結合共振子型のフィルタ部１、２を互いに直列に圧電基板２０上に設けて、これらフィルタ部１、２の間に１ポート共振子３０を直列及び並列に接続したラダー型フィルタ部３を介設すると共に、フィルタ部１、２に入力ポート１５及び出力ポート１６を夫々接続して、ラダー型フィルタ部３の直列共振子４の容量値をＣｓ、並列共振子５の容量値をＣｐとすると、Ｃｓ／Ｃｐを小さくして通過周波数帯域よりも高域側の減衰量を大きくする。
【選択図】図１

Description

本発明は、縦結合共振子型弾性波フィルタを縦続に接続した弾性波フィルタに関する。

昨今においては、携帯電話や無線機器などの通信機器に利用される弾性波フィルタについて、例えば広帯域で低損失であることが要求されており、また通信機器毎に充てられる周波数帯域同士が互いに近接しているので、これら通信機器間における混信を避けるために、通過周波数帯域よりも低域側及び高域側における減衰量を大きくする（減衰レベルを良好にする）ことのできるフィルタが求められている。

広帯域及び低損失のフィルタとしては、例えばタンタル酸リチウムやニオブ酸リチウムを圧電基板として用いた縦結合共振子型弾性表面波フィルタ（以下「縦結合共振子型フィルタ」と言う）が知られている。この縦結合共振子型フィルタは、複数例えば３つのＩＤＴ（インターディジタルトランスデューサー）電極を弾性波の伝搬方向に沿って圧電基板上に並べると共に、これらＩＤＴ電極の両側に反射器を配置した構成となっており、０次モードと高次モードの共振モードとを利用して通過周波数帯域が設定される。

この縦結合共振子型フィルタでは、通過周波数帯域よりも高域側における減衰量を大きくするために、例えば図９に示すように、縦結合共振子型フィルタ１００を縦続に複数例えば２つ接続する場合がある。しかし、このように縦続に接続したフィルタであっても、図１０に矢印で示すように、通過周波数帯域よりも高域側にコブ状のピークが形成されてしまう。

特許文献１には、受信用フィルタの前段に、直列及び並列に弾性表面波共振器を１つずつ配置したフィルタが記載されているが、既述の課題については検討されていない。また、特許文献２には、互いに直列に接続した２つの縦結合共振子型フィルタ素子と、これらフィルタ素子の間に直列に介設された弾性表面波共振子と、を備えた弾性表面波装置が記載されている。このように弾性波共振子を設けることによって、図１０の周波数特性に比べて、通過周波数帯域よりも高域側の減衰量を大きくできる可能性があるが、通過周波数帯域内において損失が生じてしまうおそれがあるし、また通過周波数帯域よりも低域側の減衰量については大きくすることが困難である。

特開２０００−３４９５９１（段落００３２、図２） 特開２００４−３１２５７６（段落００８５〜００８６、図２６）

本発明はこのような事情に基づいてなされたものであり、その目的は、通過周波数帯域内における損失を抑えながら、通過周波数帯域よりも低域側及び高域側の減衰量を大きくできる弾性波フィルタを提供することにある。

本発明の弾性波フィルタは、
弾性波の伝搬方向に沿って圧電基板上に配置された複数のＩＤＴ電極及びこれらＩＤＴ電極の両側に設けられた反射器を備えた縦結合共振子型の第１のフィルタ部と、
前記第１のフィルタ部に対して直列に接続され、弾性波の伝搬方向に沿って前記圧電基板上に配置された複数のＩＤＴ電極及びこれらＩＤＴ電極の両側に設けられた反射器を備えた縦結合共振子型の第２のフィルタ部と、
前記第１のフィルタ部と前記第２のフィルタ部との間に直列に介設され、弾性波の伝搬方向に沿って前記圧電基板上に配置された１つのＩＤＴ電極及びこのＩＤＴ電極の両側に設けられた反射器を備えた少なくとも２つの直列共振子と、
前記第１のフィルタ部と前記第２のフィルタ部との間に並列に介設され、弾性波の伝搬方向に沿って前記圧電基板上に配置された１つのＩＤＴ電極及びこのＩＤＴ電極の両側に設けられた反射器を備えた並列共振子と、
前記第１のフィルタ部及び前記第２のフィルタ部の一方における前記ＩＤＴ電極に接続された入力ポートと、
前記第１のフィルタ部及び前記第２のフィルタ部の他方における前記ＩＤＴ電極に接続された出力ポートと、を備えたことを特徴とする。
前記並列共振子は、前記２つの直列共振子間に並列に接続されていても良い。

本発明によれば、２つの縦結合共振子型のフィルタ部を互いに直列に圧電基板上に設けて、これらフィルタ部の間に共振子を直列及び並列に接続すると共に、前記フィルタ部の一方側及び他方側に入力ポート及び出力ポートを夫々接続しているので、通過周波数帯域内における損失を抑えながら、通過周波数帯域よりも低域側及び高域側の減衰量を大きくできる。

本発明の弾性波フィルタの一例を示す平面図である。 前記フィルタが形成された基板の一例を示す模式図である。 従来のフィルタの構成例を示す平面図である。 前記従来のフィルタにおいて得られる周波数特性を示す特性図である。 本発明のフィルタにおいて得られる周波数特性を示す特性図である。 本発明のフィルタの他の例を示す平面図である。 本発明のフィルタの特性を説明するための比較例を示すフィルタの平面図である。 前記比較例のフィルタにおいて得られる周波数特性を示す特性図である。 従来のフィルタの構成を示した平面図である。 前記従来のフィルタにおいて得られる周波数特性を示した特性図である。

本発明の弾性波フィルタの実施の形態の一例について、図１を参照して説明する。このフィルタは、互いに直列に接続された２つの縦結合共振子型弾性波フィルタ（後述のフィルタ部１０）と、１ポート共振子３０がラダー型に接続されると共にこれらフィルタ部１０、１０間に直列に介設されたラダー型フィルタ部３と、を備えており、例えばタンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ_３）からなる圧電基板２０上に形成されている。この例では圧電基板２０は、３６°Ｙカット板であり、つまり図２に示すように、フィルタの形成される面からＸ軸に向かって垂直に伸びる直線とＹ軸とのなす角度（切断角度）θが３６°となるように切断した基板である。従って、この圧電基板２０上では当該圧電基板２０の結晶軸のＸ軸に沿って弾性波が伝搬することになる。

この圧電基板２０上には、既述の縦結合共振子型弾性波フィルタであるフィルタ部１０が図１中手前側及び奥側に各々配置されており、これらフィルタ部１０、１０間において３つの１ポート共振子３０がラダー型に配置されてラダー型フィルタ部３をなしている。即ち、ラダー型フィルタ部３の３つの１ポート共振子３０のうち２つの１ポート共振子３０、３０がフィルタ部１０、１０に夫々直列に接続されて直列共振子４、４をなし、残りの１つの１ポート共振子３０がこれら直列共振子４、４間において並列に接続されて並列共振子５をなしている。

これらのフィルタ部１０、１０及び１ポート共振子３０（４、５）は、ＩＤＴ（インターディジタルトランスデューサー）電極１１と、弾性波の伝搬方向においてＩＤＴ電極１１を両側から挟むように配置された反射器１２と、を各々備えている。各々のフィルタ部１０、１０は、弾性波の伝搬方向に沿って配置された複数例えば３つのＩＤＴ電極１１を備えており、１ポート共振子３０は１つのＩＤＴ電極１１を備えている。図１中１３、１３（１８、１８）は、ＩＤＴ電極１１及び反射器１２の各々において弾性波の伝搬方向に各々平行となるように互いに離間して配置された一対のバスバー、１４はＩＤＴ電極１１の各々のバスバー１３、１３から対向するバスバー１３、１３側に向かって櫛歯状に伸び出す電極指、１７は反射器１２のバスバー１８、１８間を接続する電極指である。

ここで、図１中奥側のフィルタ部１０を第１のフィルタ部１、手前側のフィルタ部１０を第２のフィルタ部２と呼ぶと、第１のフィルタ部１の３つのＩＤＴ電極１１のうち中央におけるＩＤＴ電極１１の奥側のバスバー１３には入力ポート１５が形成され、第２のフィルタ部２の３つのＩＤＴ電極１１のうち中央におけるＩＤＴ電極１１の手前側のバスバー１３には出力ポート１６が形成されている。図１において、１５ａは入力端子、１６ａは出力端子であり、入力端子１５ａから電気信号が入力されると、ＩＤＴ電極１１における電極指１４、１４の交差領域で弾性波が発生し、第１のフィルタ部１、ラダー型フィルタ部３及び第２のフィルタ部２を介して出力端子１６ａから弾性波が電気信号として取り出される。

第１のフィルタ部１において、左右両側のＩＤＴ電極１１の奥側のバスバー１３、１３は、入力ポート１５から離間すると共に当該入力ポート１５を奥側から回り込むように引き回された導電路２１ａによって互いに接続されている。これらの第１のフィルタ部１の左右両側のＩＤＴ電極１１の手前側のバスバー１３、１３は、導電路２１ｂを介して互いに連結されると共に、既述の直列共振子４の奥側のバスバー１３に接続されている。尚、導電路２１ａ及び第１のフィルタ部１の中央のＩＤＴ電極１１における手前側のバスバー１３は接地されている。
ラダー型フィルタ部３の奥側の直列共振子４及び手前側の直列共振子４に夫々「４ａ」及び「４ｂ」の符号を付すと、直列共振子４ａの手前側のバスバー１３には導電路２１ｃ、２１ｄが各々接続されており、導電路２１ｃは図１中右側に配置されて並列共振子５の奥側のバスバー１３に接続されている。導電路２１ｄは、導電路２１ｃの左側において並列共振子５の側方領域を介して手前側に伸び出して直列共振子４ｂの奥側のバスバー１３に接続されている。並列共振子５の手前側のバスバー１３は接地されている。

直列共振子４ｂの手前側のバスバー１３から伸び出す２本の導電路２１ｅ、２１ｅには、夫々第２のフィルタ部２の左右両側のＩＤＴ電極１１、１１における奥側のバスバー１３、１３が夫々接続されている。第２のフィルタ部２の左右両側のＩＤＴ電極１１、１１の手前側のバスバー１３、１３は、出力ポート１６から離間すると共に当該出力ポート１６の手前側の領域を回り込むように引き回された導電路２１ｆを介して互いに接続されている。この導電路２１ｆ及び第２のフィルタ部２の中央部のＩＤＴ電極１１における奥側のバスバー１３は、各々接地されている。ここで、後述する実施例にて説明するように、直列共振子４ａ、４ｂにおける反共振周波数のピーク位置は、第１のフィルタ部１及び第２のフィルタ部２によって形成される通過周波数帯域よりも高域側に位置するように設定されており、また並列共振子５の反共振周波数のピーク位置は、当該通過周波数帯域よりも低域側に位置するように設定されている。尚、図１では、フィルタの各部の構成を模式的に示している。

ここで、本発明においてフィルタ部１、２間にラダー型フィルタ部３を介設した理由について説明する。始めに、図３に示すように、２つのフィルタ部１、２間に１ポート共振子３０を直列に１つだけ設けると共に、当該１ポート共振子３０の反共振周波数のピーク位置をフィルタにおける通過周波数帯域よりも高域側に位置させると、図４に示すように、通過周波数帯域よりも高域側の減衰量が既述の図１０（１ポート共振子３０を設けない構成）よりも僅かに大きくなる。そこで、１ポート共振子３０の反共振周波数のピーク強度を更に大きくするために、フィルタ部１、２間に１ポート共振子３０を例えば２つ直列に介設すると、通過周波数帯域よりも高域側の減衰量については更に大きくなるが、１ポート共振子３０、３０により形成される容量値が図３の場合よりも小さくなるので、通過周波数帯域内における損失が大きくなってしまう。

一方、フィルタ部１、２間に介設したラダー型フィルタ部３では、直列共振子４の容量値をＣｓ、並列共振子５の容量値をＣｐとすると、Ｃｓ／Ｃｐが大きいほど損失が小さくなるので、減衰量を大きくするためにはＣｓ／Ｃｐを小さくすることになる。従って、ラダー型フィルタ部３では、Ｃｓ／Ｃｐを小さくするにあたって、１ポート共振子３０を直列に接続した場合と比べて、各々の１ポート共振子３０の容量値Ｃｓ、Ｃｐの設計の自由度が高いことになる。即ち、１ポート共振子３０を直列に接続した場合には、通過周波数帯域よりも高域側の減衰量を大きくしようとすると容量値が小さくなって（通過周波数帯域内の損失が大きくなって）しまうが、ラダー型フィルタ部３では、当該ラダー型フィルタ部３全体の容量値の低下（通過周波数帯域内における損失の発生）を抑えながら、Ｃｓ／Ｃｐを小さくすることができる。従って、ラダー型フィルタ部３を配置することによって、並列共振子５を介設せずに直列共振子４を２つ設けた場合と比べて、後述の図８に示すように、通過周波数帯域内における損失を抑えながら通過周波数帯域よりも高域側の減衰量を大きくすることができる。また、本発明のフィルタでは、ラダー型フィルタ部３をフィルタ部１、２の間に介設していることから、図５に示すように、通過周波数帯域よりも高域側において形成される１ポート共振子３０の反共振周波数のピーク強度が大きく維持されて、当該高域側の減衰量が大きくなる。また、並列共振子５における反共振周波数のピーク位置を通過周波数帯域よりも低域側に設定しているので、図１０の周波数特性と比べて、当該低域側の減衰量についても大きくなる。

上述の実施の形態によれば、２つの縦結合共振子型のフィルタ部１、２を互いに直列に設けて、これらフィルタ部１、２の間に１ポート共振子３０を直列及び並列に接続すると共に、フィルタ部１、２にポート１５、１６を夫々接続しているので、通過周波数帯域内における損失を抑えながら、通過周波数帯域よりも低域側及び高域側の減衰量を大きくすることができる。

また、ラダー型フィルタ部３として図１中奥側及び手前側に直列共振子４を各々配置し、これら直列共振子４、４間に並列共振子５を設けているので、インピーダンスの整合が取りやすくなり、通過周波数帯域における損失をより一層小さく抑えることができる。即ち、例えば後述の図７に示した構成（圧電基板２０上に奥側から手前側に向かってフィルタ部１、２及びラダー型フィルタ部３をこの順番で並べた例）では、縦結合型のフィルタ部１、２同士を反転して接続しているため、マッチングの条件である複素共役接続が難しくなっており、この接続部におけるインピーダンスがインダクタ（Ｌ）性または容量（Ｃ）性を持ちやすくなっている。一方、ラダー型フィルタ部３はＬ性にもＣ性にも容易に設計することができるため、当該ラダー型フィルタ部３をフィルタ部１、２に介設することにより、マッチング素子として利用できる。また、この図７に示すように、フィルタ部１、２における出力ポート１６側にラダー型フィルタ部３を接続した場合には、フィルタ部１、２とラダー型フィルタ部３との間においてインピーダンスのミスマッチによる損失の発生するおそれがあるが、フィルタ部１、２間にラダー型フィルタ部３を介設することによって、当該ミスマッチを生じる接続を解消することができる。そのため、シミュレーションにより得られた結果からも、本発明のフィルタでは、ミスマッチロスが低減されることが分かった。
従って、インピーダンスのミスマッチを解消するためにインダクタ成分や容量成分をフィルタに接続するための配線などが不要になるか簡略化されるため、このようにフィルタ部１、２間にラダー型フィルタ部３を設けることによって、例えば図７に示した構成と比較して、パターン配線（導電路２１）の引き回しや圧電基板２０上の各部位（ポート１５、１６及び接地部）を外部に接続するためのワイヤレイアウトが容易になるし、またワイヤの本数も少なくなり、更には圧電基板２０のサイズも小さく抑えることができる。

既述の例では、ラダー型フィルタ部３において奥側から手前側に向かって直列共振子４ａ、並列共振子５及び直列共振子４ｂの順番で配置したが、図６に示すように、奥側から手前側に向かって直列共振子４ａ、４ｂ及び並列共振子５をこの順番で並べても良い。更に、これら直列共振子４及び並列共振子５としては、夫々３つ以上及び２つ以上配置しても良い。

また、ＩＤＴ電極１１における電極指１４の対数（対数：互いに交差する１対の電極指１４、１４の組の数）、電極指１４、１４の交差幅、電極指１４の幅寸法及び電極指１４、１４間の離間寸法などについては、フィルタ部１、２、直列共振子４及び並列共振子５毎に独立して調整しても良い。入力ポート１５及び出力ポート１６は、フィルタ部１、２のいずれに接続しても良い。また、フィルタ部１、２におけるＩＤＴ電極１１の数量は２つであっても良いし、４つ以上であっても良い。更に、これらフィルタ部１、２におけるＩＤＴ電極１１の数量を互いに変えるように、具体的にはこれらフィルタ部１、２の一方には３つのＩＤＴ電極１１を配置し、他方には４つのＩＤＴ電極１１を配置しても良い。更に、第２のフィルタ部２に出力ポート１６を２つ設けて、バランス出力するようにしても良いし、この場合にはフィルタ部１、２におけるＩＤＴ電極１１の数量を互いに変えても良い。

次に、図１の本発明のフィルタにおいて得られる周波数特性を確認するために、以下のシミュレーション条件において行ったシミュレーションについて説明する。
（シミュレーション条件）
・圧電基板２０：３６°ＹカットＸ伝搬ＬｉＴａＯ_３
・フィルタ部１、２の構成（この例ではフィルタ部１、２では各々同じ設計とした）
ＩＤＴ電極１１のピッチＰ_ｉ１：４．６６μｍ
反射器１２のピッチＰ_ｒ１：４．７０μｍ
中央部のＩＤＴ電極１１の電極指１４の対数：２７対
左右両側のＩＤＴ電極１１の電極指１４の対数：各１７対
反射器１２の電極指１７の本数：各５０本
電極指１４、１４の交差幅：１４４μｍ
・直列共振子４ａ
ＩＤＴ電極１１のピッチＰ_ｉ１：４．５６μｍ
反射器１２のピッチＰ_ｒ１：４．６０μｍ
ＩＤＴ電極１１の電極指１４の対数：１００対
反射器１２の電極指１７の本数：各５０本
電極指１４、１４の交差幅：８２μｍ
・並列共振子５
ＩＤＴ電極１１のピッチＰ_ｉ１：４．７４μｍ
反射器１２のピッチＰ_ｒ１：４．７１μｍ
ＩＤＴ電極１１の電極指１４の対数：８５対
反射器１２の電極指１７の本数：各５０本
電極指１４、１４の交差幅：８１μｍ
・直列共振子４ｂ
ＩＤＴ電極１１のピッチＰ_ｉ１：４．５９μｍ
反射器１２のピッチＰ_ｒ１：４．６３μｍ
ＩＤＴ電極１１の電極指１４の対数：７５対
反射器１２の電極指１７の本数：各５０本
電極指１４、１４の交差幅：７８μｍ
尚、「ピッチ」とは、互いに隣接する電極指１４、１４（１７、１７）の長さ方向における中心線同士の間の距離を表している。

（シミュレーション結果）
図５に示すように、ラダー型フィルタ部３における反共振周波数の極の位置がフィルタ部１、２により構成される通過周波数帯域よりも低域側及び高域側に夫々形成され、高域側のピーク強度については既述の図４の強度よりも大きくなっていた。そのため、減衰傾度が急峻となり、このフィルタにおける通過周波数帯域よりも低域側及び高域側の減衰量は極めて大きくなっていた。
また、既述のシミュレーション条件と同じ条件に設定すると共に、図７に示すように、圧電基板２０上に奥側から手前側に向かってフィルタ部１、２及びラダー型フィルタ部３を配置した構成においてシミュレーションを行った結果、図８に比較例として示すように、通過周波数帯域においてリップルが発生して損失が大きくなっていた。そのため、本発明のフィルタでは、図７の比較例と比べて、インピーダンスの整合が良好に取れていることが分かる。尚、図８は、通過周波数帯域における０ｄＢ付近を拡大して示したものである。

１ 第１のフィルタ部
２ 第２のフィルタ部
３ ラダー型フィルタ部
４ 直列共振子
５ 並列共振子
１０ フィルタ部
１５ 入力ポート
１６ 出力ポート
２０ 圧電基板
３０ １ポート共振子

Claims (2)

1. 弾性波の伝搬方向に沿って圧電基板上に配置された複数のＩＤＴ電極及びこれらＩＤＴ電極の両側に設けられた反射器を備えた縦結合共振子型の第１のフィルタ部と、
   前記第１のフィルタ部に対して直列に接続され、弾性波の伝搬方向に沿って前記圧電基板上に配置された複数のＩＤＴ電極及びこれらＩＤＴ電極の両側に設けられた反射器を備えた縦結合共振子型の第２のフィルタ部と、
   前記第１のフィルタ部と前記第２のフィルタ部との間に直列に介設され、弾性波の伝搬方向に沿って前記圧電基板上に配置された１つのＩＤＴ電極及びこのＩＤＴ電極の両側に設けられた反射器を備えた少なくとも２つの直列共振子と、
   前記第１のフィルタ部と前記第２のフィルタ部との間に並列に介設され、弾性波の伝搬方向に沿って前記圧電基板上に配置された１つのＩＤＴ電極及びこのＩＤＴ電極の両側に設けられた反射器を備えた並列共振子と、
   前記第１のフィルタ部及び前記第２のフィルタ部の一方における前記ＩＤＴ電極に接続された入力ポートと、
   前記第１のフィルタ部及び前記第２のフィルタ部の他方における前記ＩＤＴ電極に接続された出力ポートと、を備えたことを特徴とする弾性波フィルタ。
2. 前記並列共振子は、前記２つの直列共振子間に並列に接続されていることを特徴とする請求項１に記載の弾性波フィルタ。

Images