JP2013197772A - 弾性波フィルタ - Google Patents

Abstract

【課題】 同一基板を用いて広帯域な周波数特性を実現できる弾性波フィルタを提供する。
【解決手段】 中心周波数が異なるラダー型フィルタを並列接続し、低い周波数のラダー型フィルタ１０における直列腕の直列共振子Ｃ11，Ｃ12，Ｃ13，Ｃ14のいずれかの共振周波数ＦＬｒと、高い周波数のラダー型フィルタ２０における並列腕の並列共振子Ｃ25，Ｃ26，Ｃ27のいずれかの共振周波数ＦＨｒとが、１．０＜ＦＨｒ／ＦＬｒ＜１．０５の関係式、若しくは、ＦＬｒ＝ＦＨｒの関係式を満たすように構成した弾性波フィルタである。
【選択図】 図１

Description

本発明は、弾性波共振子を用いたラダー型の弾性波フィルタに係り、特に、通過帯域を広帯域化できる弾性波フィルタに関する。

［従来の技術］
近年、無線通信や有線通信の高速化に伴い、占有帯域の広帯域化が進んでいる。
これに伴い、通信システムに用いられる弾性波フィルタに対しても広帯域な性能を要求される傾向が高まっている。

［従来のラダー型フィルタ：図６］
従来のラダー型フィルタについて図６を参照しながら説明する。図６は、従来のラダー型フィルタの回路図である。
従来のラダー型フィルタは、図６に示すように、共振子として水晶共振子を使用し、直列腕には直列共振子Ｃ41，Ｃ42，Ｃ43，Ｃ44が接続され、直列共振子の間に並列腕の並列共振子Ｃ45，Ｃ46，Ｃ47が接続されている。尚、並列共振子の他端は接地されている。

［関連技術］
尚、関連する先行技術として、特開平０９−１２１１３８号公報「フィルタ装置及びこれを用いた無線装置」（富士通株式会社）［特許文献１］、特開２００１−３２６５５７号公報「弾性表面波装置」（株式会社村田製作所）［特許文献２］、特開２０００−０１３１８４号公報「共振器型弾性表面波フィルタ」（沖電気株式会社）［特許文献３］がある。

特許文献１には、中心周波数の異なる帯域を有する２つのフィルタ素子と、そのフィルタ素子に共通に設けられた入力端子と出力端子を備えるフィルタ装置が示されている。

特許文献２には、中心周波数が異なる２つの弾性表面波フィルタを備え、少なくとも一方の弾性表面波フィルタの入力端子側又は出力側に弾性表面波共振子を直列に接続し、弾性表面波共振子の反共振周波数を弾性表面波フィルタの通過帯域より高周波側に位置させた弾性表面波装置が示されている。

特許文献３には、その図５に示すように、一つの直列腕共振器と一つの並列腕共振器とのそれぞれの一端子を互いに接続して奇数段梯子型回路構成の共振器型弾性表面波フィルタが示されている。
尚、特許文献３では、直列腕共振器の共振周波数を並列腕共振器の反共振周波数と同じか高くすることが記載されている。

特開平０９−１２１１３８号公報 特開２００１−３２６５５７号公報 特開２０００−０１３１８４号公報

しかしながら、従来の弾性波共振子を用いたラダー型フィルタでは、その通過帯域は一般的に電気機械結合係数によって物理的な限界が決められており、タンタル酸リチウム（LiTaO3）基板上のＳＡＷ（Surface Acoustic Wave：弾性表面波）等の場合には、比帯域幅が最大６％程度であり、これ以上の広帯域化のためには、結合係数が大きな別の圧電基板が必要になるなどの対応が必要で、同一基板を用いての広帯域化の性能実現に限界があるという問題点があった。

尚、特許文献１〜３には、中心周波数が異なるラダー型フィルタを並列接続し、更に、低い周波数のラダー型フィルタにおける直列腕の共振周波数ＦＬｒと、高い周波数のラダー型フィルタにおける並列腕の共振周波数ＦＨｒとが、１≦ＦＨｒ／ＦＬｒ＜１．０５の関係式で満たされていることについて記載がない。

本発明は上記実情に鑑みて為されたもので、同一基板を用いて広帯域な周波数特性を実現できる弾性波フィルタを提供することを目的とする。

上記従来例の問題点を解決するための本発明は、弾性波共振子を用いたラダー型の弾性波フィルタであって、中心周波数が異なるラダー型の弾性波フィルタが複数同一基板上に並列接続され、周波数軸上で中心周波数が隣接する２つのラダー型の弾性波フィルタにおいて、中心周波数が低い方を第１のラダー型の弾性波フィルタとし、中心周波数が高い方を第２のラダー型の弾性波フィルタとし、第１のラダー型の弾性波フィルタにおける直列腕の弾性波共振子の共振周波数ＦＬｒと、第２のラダー型の弾性波フィルタにおける並列腕の弾性波共振子の共振周波数ＦＨｒとが、１．０≦ＦＨｒ／ＦＬｒ＜１．０５の関係式を満たすように構成したことを特徴とする。

本発明は、上記弾性波フィルタにおいて、ラダー型の弾性波フィルタにおける直列腕の弾性波共振子を多段にし、並列腕の弾性波共振子を多段にし、第１のラダー型の弾性波フィルタにおける直列腕に多段に形成された任意の弾性波共振子の共振周波数ＦＬｒと、第２のラダー型の弾性波フィルタにおける並列腕に多段に形成された任意の弾性波共振子の共振周波数ＦＨｒとが、１．０≦ＦＨｒ／ＦＬｒ＜１．０５の関係式を満たすように構成したことを特徴とする。

本発明は、上記弾性波フィルタにおいて、並列接続されたラダー型の弾性波フィルタにおける並列腕の弾性波共振子にインダクタを接続したことを特徴とする。

本発明は、上記弾性波フィルタにおいて、並列接続されたラダー型の弾性波フィルタにおける直列腕の弾性波共振子を、複数並列に弾性波共振子を接続した構成とすることを特徴とする。

本発明は、上記弾性波フィルタにおいて、基板が、水晶、タンタル酸リチウム、又はニオブ酸リチウムの圧電基板であり、若しくは、非圧電基板上に上記材料が形成された基板であることを特徴とする。

本発明は、上記弾性波フィルタにおいて、弾性波共振子が、弾性表面波共振子、ダイヤフラム型圧電薄膜共振子、又は多層膜圧電薄膜共振子であること特徴とする。

本発明は、上記弾性波フィルタが搭載されるモジュール、電子機器、装置、機器、システム、又は電子回路である。

本発明によれば、中心周波数が異なるラダー型の弾性波フィルタが複数同一基板上に並列接続され、周波数軸上で中心周波数が隣接する２つのラダー型の弾性波フィルタにおいて、中心周波数が低い方を第１のラダー型の弾性波フィルタとし、中心周波数が高い方を第２のラダー型の弾性波フィルタとし、第１のラダー型の弾性波フィルタにおける直列腕の弾性波共振子の共振周波数ＦＬｒと、第２のラダー型の弾性波フィルタにおける並列腕の弾性波共振子の共振周波数ＦＨｒとが、１．０≦ＦＨｒ／ＦＬｒ＜１．０５の関係式を満たすように構成した弾性波フィルタとしているので、同一基板を用いて広帯域な周波数特性を実現できる効果がある。

本発明の実施の形態に係る第１の弾性波フィルタの回路図である。 実施の形態におけるフィルタの周波数特性例を示す図である。 第２の弾性波フィルタの回路図である。 第３の弾性波フィルタの回路図である。 第４の弾性波フィルタの回路図である。 従来のラダー型フィルタの回路図である。

本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。
［実施の形態の概要］
本発明の実施の形態に係る弾性波フィルタは、中心周波数が異なるラダー型フィルタを並列接続し、低い周波数のラダー型フィルタにおける直列腕の共振子の共振周波数ＦＬｒと、高い周波数のラダー型フィルタにおける並列腕の共振子の共振周波数ＦＨｒとが、１．０≦ＦＨｒ／ＦＬｒ＜１．０５の関係式を満たすように構成したものであり、同一基板を用いて広帯域な周波数特性を実現できるものである。

［第１の弾性波フィルタ：図１］
本発明の実施の形態に係る第１の弾性波フィルタについて図１を参照しながら説明する。図１は、本発明の実施の形態に係る第１の弾性波フィルタの回路図である。
本発明の実施の形態に係る第１の弾性波フィルタ（第１の弾性波フィルタ）は、図１に示すように、入力端子と出力端子に対して、中心周波数が異なる低域側フィルタ１０と高域側フィルタ２０とが並列接続されている。

低域側フィルタ１０の中心周波数は、高域側フィルタ２０の中心周波数より低いものである。つまり、高域側フィルタ２０の中心周波数は、低域側フィルタ１０の中心周波数より高い設定となっている。

［低域側フィルタ１０］
低域側フィルタ１０は、共振子として弾性表面波共振子（ＳＡＷ共振子）を使用し、直列腕には直列共振子Ｃ11，Ｃ12，Ｃ13，Ｃ14が接続され、直列共振子の間に並列腕の並列共振子Ｃ15，Ｃ16，Ｃ17が接続されている。尚、並列共振子の他端は接地されている。

［高域側フィルタ２０］
高域側フィルタ２０は、共振子としてＳＡＷ共振子を使用し、直列腕には直列共振子Ｃ21，Ｃ22，Ｃ23，Ｃ24が接続され、直列共振子の間に並列腕の並列共振子Ｃ25，Ｃ26，Ｃ27が接続されている。尚、並列共振子の他端は接地されている。

尚、低域側フィルタ１０及び高域側フィルタ２０では、それぞれ直列共振子を４個、並列共振子を３個の例で例示したが、それらの数に限定するものではない。

［原理・条件］
次に、第１の弾性波フィルタの原理と条件について説明する。
低域側フィルタ１０の直列腕における直列共振子の個数を「ｎ」とし、入力端子に近い順に共振周波数を、ＦＬ_1，ＦＬ_2，ＦＬ_3・・・ＦＬ_nとする。
また、高域側フィルタ２０の並列腕における並列共振子の個数を「ｍ」とし、入力端子に近い順に共振周波数を、ＦＨ_1，ＦＨ_2，ＦＨ_3・・・ＦＨ_mとする。

そして、低域側フィルタ１０と高域側フィルタ２０の２つのフィルタの帯域を合成する際に、以下の式１の関係であることが望ましい。
ＦＬｒ_i＝ＦＨｒ_j （式１）
ここで、ｉ，ｊは各々ｉ≦ｎ，ｊ≦ｍを満たす任意の整数である。

但し、完全に上記式１である必要はなく、以下の式２の関係であれば、２つのフィルタの通過帯域を合成することが可能となる。
１＜ＦＨｒ_j／ＦＬｒ_i＜１．０５ （式２）
従って、総合的な条件として、以下の式を満たせばよいことになる。
１≦ＦＨｒ_j／ＦＬｒ_i＜１．０５ （式３）

上記式１，２の条件からずれた周波数に共振子の周波数を設定してしまうと、２つのフィルタの周波数帯域を合成する際に、帯域の中央付近に大きなスプリアスディップが発生してしまい、所望の帯域幅及び帯域内偏差を実現することができない。

［フィルタの周波数特性：図２］
次に、第１の弾性波フィルタの周波数特性を図２を参照しながら説明する。図２は、実施の形態におけるフィルタの周波数特性例を示す図である。図２において、横軸が周波数［Ｈｚ］を示し、縦軸が減衰量（ゲイン）［ｄＢ］を示している。
図２に示すように、第１の弾性波フィルタの構成を用いることにより、回転ＹＸタンタル酸リチウム（LiTaO3）基板上において、１ｄＢ比帯域幅が１１％以上という極めて広帯域な周波数特性を実現できている。

［第２の弾性波フィルタ：図３］
次に、本発明の実施の形態に係る第２の弾性波フィルタ（第２の弾性波フィルタ）について図３を参照しながら説明する。図３は、第２の弾性波フィルタの回路図である。
第２の弾性波フィルタは、図３に示すように、入力端子と出力端子に対して、中心周波数が異なる低域側フィルタ１０と高域側フィルタ２０とが並列接続される。

そして、入力端子側に直列共振子Ｃ1 が直列に接続され、その直列共振子Ｃ1 と２つのフィルタとの間に、並列共振子Ｃ2 が並列接続されている。また、並列共振子Ｃ2 の他端は接地されている。
また、出力端子側に直列共振子Ｃ4 が直列に接続され、その直列共振子Ｃ4 と２つのフィルタとの間に、並列共振子Ｃ3 が並列接続されている。また、並列共振子Ｃ3 の他端は接地されている。
尚、第１の弾性波フィルタと同様に、低域側フィルタ１０の中心周波数は、高域側フィルタ２０の中心周波数より低く設定されている。

［低域側フィルタ１０］
低域側フィルタ１０は、共振子としてＳＡＷ共振子を使用し、直列腕には直列共振子Ｃ11，Ｃ12，Ｃ13，Ｃ14が接続され、直列共振子の間に並列腕の並列共振子Ｃ15，Ｃ16，Ｃ17が接続され、並列共振子Ｃ15，Ｃ16，Ｃ17の他端にそれぞれコイルＬ11，Ｌ12，Ｌ13が接続され、コイルの他端が接地されている。

［高域側フィルタ２０］
高域側フィルタ２０は、共振子としてＳＡＷ共振子を使用し、直列腕には直列共振子Ｃ21，Ｃ22，Ｃ23，Ｃ24が接続され、直列共振子の間に並列腕の並列共振子Ｃ25，Ｃ26，Ｃ27が接続され、並列共振子Ｃ25，Ｃ26，Ｃ27の他端にそれぞれコイルＬ21，Ｌ22，Ｌ23が接続され、コイルの他端が接地されている。

尚、低域側フィルタ１０及び高域側フィルタ２０では、それぞれ直列共振子を４個、並列共振子を３個の例で例示したが、それらの数に限定するものではない。

第２の弾性波フィルタでは、並列腕にインダクタを設けた場合の構成例である。この場合にも、第１の弾性波フィルタと同様の条件（式１又は式２）を満たすものであれば、第１の弾性波フィルタと同様の効果が得られる。

［第３の弾性波フィルタ：図４］
次に、本発明の実施の形態に係る第３の弾性波フィルタ（第３の弾性波フィルタ）について図４を参照しながら説明する。図４は、第３の弾性波フィルタの回路図である。
第３の弾性波フィルタは、図４に示すように、入力端子と出力端子に対して、中心周波数が異なる低域側フィルタと、中域帯フィルタと、高域側フィルタとが並列接続される。
図４では、３つのフィルタを並列接続しているが、４つ以上であってもよい。

低域側フィルタと高域側フィルタは第１の弾性波フィルタと同様である。
中域帯フィルタは、図４に示すように、共振子としてＳＡＷ共振子を使用し、直列腕には直列共振子Ｃ31，Ｃ32，Ｃ33，Ｃ34が接続され、直列共振子の間に並列腕の並列共振子Ｃ35，Ｃ36，Ｃ37が接続されている。尚、並列共振子の他端は接地されている。

第３の弾性波フィルタにおいても、周波数軸上で隣り合う２つのラダー型フィルタにおいて、低い側のフィルタにおける直列腕の共振周波数をＦＬｒとし、高い側のフィルタにおける並列腕の共振周波数をＦＨｒとした場合に、ＦＬｒ＝ＦＨｒ、または１．０＜ＦＨｒ／ＦＬｒ＜１．０５の関係式を満たす条件であれば、第１の弾性波フィルタと同様の効果が得られる。

［第４の弾性波フィルタ：図５］
次に、本発明の実施の形態に係る第４の弾性波フィルタ（第４の弾性波フィルタ）について図５を参照しながら説明する。図５は、第４の弾性波フィルタの回路図である。
第４の弾性波フィルタは、図５に示すように、入力端子と出力端子に対して、中心周波数が異なる低域側フィルタと高域側フィルタとが並列接続される。
ここで、第１の弾性波フィルタとの相違は、直列腕で弾性波共振子が各セッションで並列接続されている点である。

［低域側フィルタ］
低域側フィルタは、共振子としてＳＡＷ共振子を使用し、直列腕には直列共振子Ｃ111と直列共振子Ｃ112が並列に接続され、直列共振子Ｃ121と直列共振子Ｃ122が並列に接続され、直列共振子Ｃ131と直列共振子Ｃ132と直列共振子Ｃ133が並列に接続され、直列共振子Ｃ14が接続されている。
また、直列共振子の間に並列腕の並列共振子Ｃ15，Ｃ16，Ｃ17が接続されている。尚、並列共振子の他端は接地されている。

［高域側フィルタ］
高域側フィルタは、共振子としてＳＡＷ共振子を使用し、直列腕には直列共振子Ｃ211と直列共振子Ｃ212と直列共振子Ｃ213が並列に接続され、直列共振子Ｃ221と直列共振子Ｃ222が並列に接続され、直列共振子Ｃ231と直列共振子Ｃ232が並列に接続され、直列共振子Ｃ24が接続されている。
また、直列共振子の間に並列腕の並列共振子Ｃ25，Ｃ26，Ｃ27が接続されている。尚、並列共振子の他端は接地されている。

ここで、直列腕に並列に接続される直列共振子は、全て同じ特性を有する構成としてもよいし、各々異なる特性を有する構成としてもよい。
尚、図５における低域側フィルタ及び高域側フィルタでは、それぞれ直列共振子を７個、並列共振子を３個の例で例示したが、それらの数に限定するものではない。

第４の弾性波フィルタにおいても、第１の弾性波フィルタと同様に、低い側のフィルタにおける直列腕の共振周波数をＦＬｒとし、高い側のフィルタにおける並列腕の共振周波数をＦＨｒとした場合に、ＦＬｒ＝ＦＨｒ、または１．０＜ＦＨｒ／ＦＬｒ＜１．０５の関係式を満たす条件であれば、第１の弾性波フィルタと同様の効果が得られる。

尚、図５の第４の弾性波フィルタでは、直列腕の直列共振子が複数並列に接続されているので、これら複数の並列に接続された直列共振子を一つの直列共振子とみなして、上記式を満たす条件とするものである。
更に、第４の弾性波フィルタでは、直列腕で弾性波共振子を多重化しているので、耐電力性能を向上させることができる効果もある。

［応用例］
第１〜４の弾性波フィルタは、圧電基板上又は圧電性を有する材料上に弾性波共振子を用いて形成されるものである。
圧電基板としては、水晶、LiTaO3、ニオブ酸リチウム（LiNbO3）をはじめとする圧電作用のある全ての基板を対象とする。
また、非圧電性の基板上に、１層以上の圧電性の薄膜若しくは厚膜を形成した基板も対象とする。

弾性波共振子としては、ＳＡＷ共振子をはじめ、水晶共振子、ダイヤフラム型圧電薄膜共振子（ＦＢＡＲ：Film Bulk Acoustic Resonator）や多層膜圧電薄膜共振子（ＳＭＲ：Solid Mounted Resonator）といった圧電作用若しくは反作用による弾性波を用いた圧電共振器等の全てを対象とする。

第１〜４の弾性波フィルタにおいて、ラダー型フィルタの全てが１チップ上に形成されていてもよいし、個別のチップで個別のパッケージに搭載されていてもよい。
また、第１〜４の弾性波フィルタは、モジュール、電子機器、装置、機器、システム、電子回路等に搭載される。

［実施の形態の効果］
第１〜４の弾性波フィルタによれば、中心周波数が異なるラダー型フィルタを並列接続し、低い周波数のラダー型フィルタにおける直列腕の共振周波数ＦＬｒと、高い周波数のラダー型フィルタにおける並列腕の共振周波数ＦＨｒとが、ＦＬｒ＝ＦＨｒ又は１．０＜ＦＨｒ／ＦＬｒ＜１．０５の関係式を満たすように構成しているので、同一基板を用いて広帯域な周波数特性を実現できる効果がある。

第４の弾性波フィルタによれば、直列腕で弾性波共振子を多重化しているので、耐電力性能を向上させることができる効果がある。

本発明は、同一基板を用いて広帯域な周波数特性を実現できる弾性波フィルタに好適である。

１０...低域側フィルタ、 ２０...高域側フィルタ、 Ｃ1 ，Ｃ4 ...直列共振子、 Ｃ2 ，Ｃ3 ...並列共振子、 Ｃ11〜Ｃ14，Ｃ21〜Ｃ24，Ｃ31〜Ｃ34，Ｃ41〜Ｃ44...直列共振子、 Ｃ15〜Ｃ17，Ｃ25〜Ｃ27，Ｃ35〜Ｃ37，Ｃ45〜Ｃ47...並列共振子、 Ｃ111〜Ｃ112，Ｃ121〜Ｃ122，Ｃ131〜Ｃ133...直列共振子、 Ｃ211〜Ｃ213，Ｃ221〜Ｃ222，Ｃ231〜Ｃ232...直列共振子

Claims (7)

1. 弾性波共振子を用いたラダー型の弾性波フィルタであって、
   中心周波数が異なるラダー型の弾性波フィルタが複数同一基板上に並列接続され、
   周波数軸上で中心周波数が隣接する２つのラダー型の弾性波フィルタにおいて、中心周波数が低い方を第１のラダー型の弾性波フィルタとし、中心周波数が高い方を第２のラダー型の弾性波フィルタとし、
   前記第１のラダー型の弾性波フィルタにおける直列腕の弾性波共振子の共振周波数ＦＬｒと、前記第２のラダー型の弾性波フィルタにおける並列腕の弾性波共振子の共振周波数ＦＨｒとが、１．０≦ＦＨｒ／ＦＬｒ＜１．０５の関係式を満たすように構成したことを特徴とする弾性波フィルタ。
2. ラダー型の弾性波フィルタにおける直列腕の弾性波共振子を多段にし、並列腕の弾性波共振子を多段にし、
   第１のラダー型の弾性波フィルタにおける直列腕に多段に形成された任意の弾性波共振子の共振周波数ＦＬｒと、第２のラダー型の弾性波フィルタにおける並列腕に多段に形成された任意の弾性波共振子の共振周波数ＦＨｒとが、１．０≦ＦＨｒ／ＦＬｒ＜１．０５の関係式を満たすように構成したことを特徴とする請求項１記載の弾性波フィルタ。
3. 並列接続されたラダー型の弾性波フィルタにおける並列腕の弾性波共振子にインダクタを接続したことを特徴とする請求項１又は２記載の弾性波フィルタ。
4. 並列接続されたラダー型の弾性波フィルタにおける直列腕の弾性波共振子を、複数並列に弾性波共振子を接続した構成とすることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか記載の弾性波フィルタ。
5. 基板は、水晶、タンタル酸リチウム、又はニオブ酸リチウムの圧電基板であり、若しくは、非圧電基板上に前記材料が形成された基板であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか記載の弾性波フィルタ。
6. 弾性波共振子は、弾性表面波共振子、水晶共振子、ダイヤフラム型圧電薄膜共振子、又は多層膜圧電薄膜共振子であること特徴とする請求項１乃至４のいずれか記載の弾性波フィルタ。
7. 請求項１乃至６のいずれか記載の弾性波フィルタが搭載されるモジュール、電子機器、装置、機器、システム、又は電子回路。

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