JP2014505441A - 広帯域ｓａｗフィルタ - Google Patents

Abstract

小さい挿入損失と高い入力ロスを有する、非常に広い帯域幅の新しいタイプのフィルタを提供する。新しいフィルタは、ＰＳＡＷを伝搬する基板と、低いメタライゼーション高さ、高いメタライゼーション比、低い反射性および高い結合係数のファン形状のトランスデューサとを使用する。

Description

本願は、携帯電話、ワイヤレス端末あるいは基地局のモバイル通信に有用な広帯域ＳＡＷフィルタ（ＳＡＷ：surface acoustic wave）に関する。

８％あるいはそれ以上の非常に広い相対帯域幅を有するフィルタを提供しようとする試みがなされている。セラミックフィルタは、たとえば、損失の小さい非常に広い帯域幅のフィルタとして利用されるが、非常に高価である。さらに、通過帯域のスカートの急峻さは、ＳＡＷフィルタの観点からは悪い。

一般に利用されるＳＡＷフィルタは、レイリー波で動作する。しかし、このタイプのＳＡＷ波は小さい結合を示すだけで、それゆえ、損失の大きい、２０％以上の帯域幅のフィルタをもたらす。このことはすべてのレイリー波を利用しているＳＡＷフィルタについて言える。特定の結合において、より広い帯域幅はより大きな損失を生みだす。所与の帯域幅において、より高い結合は、より小さい損失を生みだす。

それゆえに本発明の目的は、セラミックフィルタよりも安価で、損失の小さい、たとえば、通過帯域における挿入損失の小さい、広い帯域幅のフィルタを提供することである。

この目的は、請求項１のフィルタによって解決される。フィルタの実施例および改善は、従属請求項で与えられる。

発明者らは、ＰＳＡＷ（ＰＳＡＷ：疑似ＳＡＷ）タイプのＳＡＷ波で動作するトランスデューサは、広帯域フィルタを作るための問題を解決する候補として有望であること、を見出した。

本発明は、ＰＳＡＷタイプの音響波で動作するＳＡＷフィルタであって、ＰＳＡＷを伝搬するように選ばれた圧電基板を備える。少なくとも第１のトランスデューサはそれぞれ電極フィンガの組み合わせを有する多数のセルを含み、基板に配置される。セルは、ＳＡＷの伝搬方向である縦方向に交互に配置され、セルの少なくとも一部はＳＰＵＤＴセルである。トランスデューサの広い相対帯域幅は、ファンタイプまたはファン形状のトランスデューサを選ぶことで実現される。そのようなトランスデューサは、一対のトランスデューサフィンガのそれぞれの中央の間の距離が横断方向において増加する電極フィンガパターンを含む。それによって、トランスデューサフィンガの幅と、隣り合う一対のトランスデューサフィンガの間隔のそれぞれは、同じ広がりで増加する。そのため、フィンガパターンは横断方向においてスケールアップされる。しかし、これらのパラメータの１つを一定にし、他を不均衡に増加することもできる。この増加は、そのため、距離のみあるいは幅のみのスケーリングによってなされる。両方のパラメータを非対象的に増加することもできる。有利なフィンガパターンの寸法のスケーリングは、少なくとも８％から５０％以上までの広いトランスデューサの相対帯域幅に達するように選択される。

ＰＳＡＷタイプの音響波はこの分野でよく知られている。それらは、ＰＳＡＷの発生をサポートするように選ばれたカットを有する基板を伝搬することができる。好ましい圧電基板は、高い結合を有する圧電材料から選ばれる。発明者らは、２つの異なる圧電素子の特定のカットが、この目的に有利であることを見出した。４１°回転Ｙカットのニオブ酸リチウム（ＬＮ４１ｒｏｔＹ）。もう一つの好ましい基板は、３６°回転カットのタンタル酸リチウム（ＬＴ３６ｒｏｔＸＹ）である。ＰＳＡＷの高い結合と、低い伝搬損失とに最適化されたこれらのカットとは別に、他の材料のカットアングルは上記の値を変えることもできる。ＬＮに対して±３０°、ＬＴに対して±５°の変化量は、結果として、より高いＰＳＡＷの結合しかし同時に伝搬損失の小さい基板材料のためのリーゾナブルなトレードオフを与える。

ＬＴと比較して、ＬＮは、低いメタライゼーション高さにおいて、ＰＳＡＷの高い結合および低い伝搬損失のために最適な、大きいカットアングルレンジを示す。

ファン形状のトランスデューサを備えるフィルタは、ＳＰＵＤＴセルを備える構造を必要とする。独創的な広帯域幅のフィルタを生み出すのに好ましいＳＰＵＤＴセルは、Ｈａｎｍａ ＨｕｎｓｉｎｇｅｒおよびＦｅｕｄｔタイプから選ばれる。これらのＳＰＵＤＴセルタイプは、波長毎に２つの電極フィンガを有しトリプルトランジットシグナルの補償のために大きすぎる反射を有するセルと比較して、比較的低い反射率を示すためである。好ましいＳＰＵＤＴセルタイプは、波長毎に少なくとも４本の電極フィンガの構造と、１〜２％程度の反射を有する。セルは、ＰＳＡＷを生成するため、および、依然として生成、伝搬しているレイリー波の効果を最小化するために、最適化されている。

本発明の実施例によると、トランスデューサは、下記のために選ばれた相対メタライゼーション高さ（波長に対する）を有しする。

−伝搬損失を最小化し、
−４フィンガセルに対してたとえば１〜３％の間の反射係数を生み出し、
−この場合に好ましくないレイリー波を抑制する。

ＬＮ４１ｒｏｔＹを使用する実施例では、伝搬損失および反射係数の観点における最適条件は、１〜３％の間の相対的メタライゼーション高さに対応する。

トランスデューサは、ＲＦ電気信号を音響波におよびその逆に変換するために使用される。そのようなトランスデューサの相対帯域幅は、高い有効性すなわち低い減衰量で変換された波長レンジに依存する。ＰＳＡＷに対して大きい結合を示すカットを有する圧電基板を使用し、低い反射を有するセルタイプおよび相対的メタライゼーション高さを使用し、伝搬損失を制限する高いメタライゼーション比を与えることにより、５０％以上の相対帯域幅を有するトランスデューサを製造することが可能である。

本発明のフィルタは、第２のファン形状のトランスデューサを備えることができる。第１および第２のトランスデューサは、同じ音響トラック内の縦方向に沿って配置される。シールディング構造は、第１のトランスデューサと第２のトランスデューサとの間に配置される。シールディング構造は、完全にメタライズされた領域またはトランスデューサとシールディング構造との間の自由伝搬領域を最小化するように適合された非反射フィンガ格子を含み、それによって自由表面領域から生じるＰＳＡＷの伝搬ロスを最小化する。

シールディング構造は、トランスデューサ電極フィンガの増加幅とは反対の横断方向に増加している幅を有する台形領域を覆う。第２のトランスデューサは、通常のトランスデューサでもよいが、ファンタイプのトランスデューサが第２のトランスデューサとして最も好ましい。

フィルタの両トランスデューサはＳＰＵＤＴセルを備え、第２のトランスデューサの単方向性は、第１のトランスデューサの単方向性と逆である。第２のトランスデューサは、第１のトランスデューサと同じ帯域幅を有する。好ましい実施例では、第２のトランスデューサは、第１のトランスデューサの構造の観点から水平にフリップされた構造を有する。２つのトランスデューサの単方向性によって、縦方向において非常に少量の波しか音響トラックを離れない。有害な信号を生み出すこれらの不所望の波は、音響トラックの両端にダンピングマスを配置することにより吸収される。ダンピングマスは、音響トラックの全ての開口、つまり横断方向に沿ってオーバーラップする電極フィンガの全ての広がりの上に配置されている。ダンピング構造は、好ましくは、ＰＳＡＷが容易に入り込むのに適した音響特性を有しＰＳＡＷが非弾性たわみや発信によって吸収される樹脂であるダンピングマスを備える。

シールディング構造は、フィンガ幅およびフィンガ間隔を変えることによって生じる異なる遅延時間を補償するのに有用である。もっとも好ましいシールディング構造の構造は、シールディング構造内においてそれぞれより高い遅延時間を与えることによって、２つのトランスデューサのうちのいずれかの低い方の遅延時間を完全に補償する。完全にメタライズされているまたはフィンガ格子を有するメタライズされた領域を備える音響パス内の遅延時間は、音響波の伝搬速度を決定するメタライゼーション比に依存する。メタライゼーション比が高いほど、音響速度は遅い。シールディング構造がフィンガ格子で実現されている限り、シールディング構造のフィンガは、音響波の励振あるいはそれらの波のアウトカップリングを避けるために電気的にショートされている。

ファンタイプのトランスデューサは、各チャネルが全てのチャネルで異なる個別の中間周波数を有する多数の並列チャネルを備えるため、広い帯域幅を有する。チャネル内において、全てのフィンガ幅および／またはフィンガ間隔は一定でもよい。そのような実施例において、ファン構造はステップ構造を有する。ｎ個の異なるチャネル有するステップ構造においては、ｎは５＜ｎ＜５０の整数とし選択され得る。

しかし、ファンタイプトランスデューサは、異なるチャネルへのフラグメンテーションが仮想の連続構造を有することも可能である。そのような仮想チャネルは、チャネルの与えられた帯域幅によって定められる。チャネルの所望の帯域幅は、断面におけるフィンガ幅の変化量に応じて定められる横断面を選択することによって選択される。

本発明のさらに詳細な説明は、添付の図面に示された実施例によってなされる。図面は概略のみであり、スケールするものでない。特定の詳細は、より良い理解のため、拡大して示され得る。

第１の実施例の電極パターンの一部を示す図である。 音響トラック内の、吸収材と、第１のトランスデューサと、シールディング構造と、さらなる音響吸収材との配置を示す図である。 トランスデューサ内の電極フィンガの拡大を示す図である。 シールディング構造内のフィンガ格子を示す図である。 ＬＴ３６ｒｏｔＸＹについて作られた２つのフィルタの伝達関数を示す図である。第１のカーブは最小のレイリー波伝搬に最適化されたセルのフィルタに関し、第２のカーブは最適化がされていないフィルタに関する。 ＬＮ４１ｒｏｔＹについて作られたフィルタの伝達関数を示す図であり、５５％の相対帯域幅を示す。 同じ伝達関数の通過帯域を示す図である。 同じ実施例の入力リターンロスを示す図である。 ＬＮ４１ＲＹに設けられた新しいフィルタとＬＮＹＺに設けられた第２のフィルタとの２つの伝達関数Ｓ２１の比較を示す図である。 同じ相対帯域幅の、ＬＮ４１ＲＹについて作られたフィルタとＬＮＹＺについて作られたフィルタとのＳ１１の実測の比較を示す図である。 同じ相対帯域幅の、ＬＮ４１ＲＹについて作られたフィルタとＬＮＹＺについて作られたフィルタとのＳ２２の実測の比較を示す図である。 図６と同様の比較を示す図である。ただし、セラミックフィルタとして実現された最先端のフィルタの伝達関数Ｓ２１との比較をさらに含む。

図１は、第１の実施例のファン形状のトランスデューサＦＴの電極フィンガパターンの断面を示す図である。示されているのは、バスバーＢＢの近くのトランスデューサ領域の断面である。トランスデューサは、所望の伝送関数に応じて選ばれた２５から１５０の間の多数のセルを備える。セルはＸ軸に沿った縦方向において、たとえば１波長の長さを有し、望ましくはすべてのセルが同様である。セルは、音響波を反射も励起もしない４本のフィンガのスプリットフィンガのグループと、少なくとも４本のＨａｎｍａ ＨｕｎｓｉｎｇｅｒタイプのフィンガのＳＰＵＤＴセルと、少なくとも４本のＦｅｕｄｔタイプのフィンガのＳＰＵＤＴセルとから選ばれる。実施例では、４本のＳＰＵＤＴフィンガを含むＨａｎｍａ ＨｕｎｓｉｇｅｒのＳＰＵＤＴセルＵＴＣは、セル毎に４本のスプリットフィンガＳＦを有する２つのスプリットフィンガセルＳＦＣの間に配置される。異なるセルの数および配列は、通過帯域の振る舞いおよび阻止の観点によるベストパフォーマンスに最適化される。

トランスデューサは、フィンガおよび／またはそれらの間の距離が、ｙ軸に沿った方向である横断方向に増加しているようなファン形状である。点線は、トランスデューサが、示された断面の外にも延びていることを示す。横断方向に寸法を増加することによって、励起されたＳＡＷ（ＰＳＡＷ）の波長は同時に増加する。横断方向のトランスデューサＦＴを、所与の帯域幅および中間周波数のチャネルに分けることによって、全トランスデューサＦＴは、最短波長の第１チャネルの中間周波数から最も広い帯域幅を有する反対側のチャネルの中間周波数に到達する。

図２は、２つのファン形状のトランスデューサＦＴ１およびＦＴ２と、間に配置されたシールディング構造ＳＨとを示す図である。第１のトランスデューサＦＴ１は、フィルタの入力トランスデューサであってもよく、第２のトランスデューサは出力トランスデューサであってもよい。トランスデューサは、同じフィンガパターンを有し得るが、フィンガの並びは互いにミラーリングされる。両トランスデューサは、ｙ方向に増加している寸法を有し、そのため、台形形状である。シールディング構造ＳＨも、台形形状を有するが、その寸法はｙ方向に減少している。縦方向のフィルタの両端には、吸収材ＡＢＳがそれぞれ配置されている。

図３Ａは、ファン形状のトランスデューサにおけるフィンガパターンの増加している寸法を概略的に示す図である。

図３Ｂは、ファン構造によって生み出されたフィルタの異なるチャネルの異なる遅延時間を補償するための、シールディング構造ＳＨに使用されるフィンガ格子を概略的に示す図である。この図に示されるように、シールディング構造ＳＨのフィンガ格子も、同様に増加し得る。遅延時間の差の良好な補償を達成するために、シールディング構造は、遅延時間がそれぞれのチャネルのメタライズ領域のみに依存するような、完全にメタライズされた領域を含み得る。そのため、シールディング構造ＳＨのメタライズ領域の形状は、傾いた角度にそれる。

シールディング構造は、さらに、金属の自由表面の伝搬損失を最小化するように設計され、そうでなければ大きな損失が見込まれる。実施例では、シールディング構造とトランスデューサとの間のギャップは、トランスデューサの隣り合う電極フィンガの間のギャップとほぼ同じである。

特定のフィルタの実施例では、フィルタは、図１に示すフィンガパターンに似ているが、ＦＥＵＤＴタイプのＳＰＵＤＴセルも備える構造のセルタイプを有するように製造される。タンタル酸リチウム基板は、ＬＴ３６ｒｏｔＹＸカット角を有するように選ばれる。主にＡｌから成るメタライゼーションは、３５０ｎｍの厚みでなされる。フィルタは、７ｍｍ×５ｍｍのような小さい寸法を有するパッケージにマウントされ得る。

ＬＴ３６ｒｏｔＹＸ基板材料へのＰＳＡＷの中位の結合（５％）にもかかわらず、フィルタは、低い損失と１０％の幅を有する通過帯域と、レイリー波に対してさらに大きい結合を有するＬＮＹＺ材料に作られたフィルタのそれぞれのＴＣＦより３倍以上小さい周波数の温度係数とを示す。

このことは、通過帯域と阻止帯域との間のさらなるソフトな移行の特定を可能とする。
図４Ａは、２０５と２２５ＭＨｚとの間の通過帯域を示す実測の伝達関数Ｓ２１を示す図である。

第２の特定フィルタ実施例について、フィルタは、Ｈａｎｍａ ＨｕｎｓｉｎｇｅｒセルのみをＳＰＵＤＺセルとして使用し、図１に示されるフィンガパターンに似たセルタイプ構造を有するように製造される。ニオブ酸リチウム基板が、ＬＮ４１ＲＹカット角を有するように選ばれる。主にＡｌから成るメタライズは、４７０ｎｍの厚みでなされる。このフィルタも、７ｍｍ×５ｍｍのような小さい寸法を有するパッケージにマウントされる得る。

図５Ａおよび５Ｂは、５５％の相対帯域幅による、１００ＭＨｚと１７５ＭＨｚとの間の通過帯域を示す実測の伝達関数Ｓ２１を示す図である。それぞれの関数Ｓ１１とＳ２２とは、図５Ｃに示される。

この基板および選ばれたメタライゼーションでは、１１％のＰＳＡＷの結合が達成される。そのため、このフィルタによって、ＳＡＷフィルタとしては記録的な値である５５％という非常に広い帯域幅が達成される。挿入損失は、約−１３ｄＢである。それにもかかわらず、通過帯域のスカートは十分急峻であり、かつ、低域側の阻止帯域では、４０ｄＢよりも大きい減衰量が達成される。高域側の阻止帯域では、減衰量は３５ｄＢに達する。

さらに、ＬＮ４１ｒｏｔＹの温度係数は、６４ｐｐｍ／℃しかなく、ＬＮＹＺ基板材料に設けられ遷移についてより多くのマージンを可能とするレイリーのもの（８７ｐｐｍ／℃）よりも小さい。

拡大したｙ軸を有する、通過帯域のより正確な図が、図５Ｂにより与えられる。この図は、フィルタが１．５ｄＢしかない低振幅のリップル変動を有することを示す。さらに、フィルタのＳ１１およびＳ２２パラメータが、図５Ｃで与えられ、−９ｄＢよりも小さいリターンロスを示す。

図６は、第２の特定の実施例であるＬＮ４１ＲＹに設けられた新しいフィルタ（上側の曲線）と、ファンタイプのフィルタとしてＬＮＹＺに設けられ、レイリー基板のレイリー波を使用している第２のフィルタ（下側の曲線）との２つの伝達関数Ｓ２１の比較を示す図である。この図より、新しいフィルタの利点およびその突出した広い帯域幅が、明らかになる。新しいフィルタは、入力損失においてもさらに改善される。

ＬＮ４１ＲＹ（上側の曲線）に設けられたフィルタのＳ２１と、ＬＮＹＺ（下側の曲線）に設けられたフィルタのＳ２１との比較は、ほぼ同じ相対帯域幅でなされる。ＬＮ４１ＲＹに設けられたフィルタは、より小さい挿入損失および急峻なスカートを示す。

図７Ａおよび７Ｂは、同じ相対帯域幅での、ＬＮ４１ＲＹ（上側の曲線）に設けられたフィルタと、ＬＮＹＺ（下側の曲線）に設けられたフィルタとの実測のＳ１１（図７Ａ）およびＳ２１（図７Ｂ）の測定の比較を示す。

下記の表は、これらのフィルタの測定データを示す。

もっともリーゾナブルなのは、新しい部材ＬＮ４１ＲＹの低いＴＦＣ（周波数の温度係数）が、レイリー波を使用したＬＮＹＺのＴＣＦよりも低いことである。このことはさらに容易に、通過帯域と阻止帯域との間のさらなるソフトな遷移を特定することを可能とする。

図８は、図６と同じ比較を示す図であるが、セラミックフィルタとして実現された最先端のフィルタの伝達関数Ｓ２１をさらに含む。ほとんど同じ帯域幅が得られるのに、新しいフィルタの通過帯域のスカートおよび阻止帯域の減衰は明確に改善されることが顕著であり、従来のフィルタに対する新しいフィルタの優位を示している。

本発明は、特定の実施例および対応する図面によって限定されてはならず、請求項および上記のそれぞれの記述によってのみ定められるべきである。

Claims (11)

1. ＰＳＡＷタイプの音響波で動作するフィルタであって、
   ＰＳＡＷを伝搬するように選ばれた圧電基板と、
   前記基板に配置され、それぞれ電極フィンガの組み合わせを有する多数のセルを含む第１のトランスデューサとを備え、
   前記セルは縦方向に交互に配置され、前記セルの少なくとも一部はＳＰＵＤＴセルであり、
   前記トランスデューサは、各トランスデューサフィンガの幅と、隣り合う一対のトランスデューサフィンガのそれぞれの間隔とが交差方向に増加しているファンタイプのトランスデューサであり、前記ファンタイプのセルは、少なくとも８％の前記トランスデューサの相対帯域幅を与える、フィルタ。
2. 前記ＳＰＵＤＴセルは、Ｈａｎｍａ ＨｕｎｓｉｎｇｅｒタイプとＦｅｕｄｔタイプとから選ばれる、請求項１に記載のフィルタ。
3. 前記ＰＳＡＷをサポートする基板は、４１±３０°回転Ｙカットを有するニオブ酸リチウムと３６±５°回転ＸＹカットを有するタンタル酸リチウムとから選ばれる、請求項１または請求項２に記載のフィルタ。
4. 前記トランスデューサは、少なくとも０．６のメタライゼーション比ηを有する、請求項１から請求項３のいずれか１項に記載のフィルタ。
5. 前記トランスデューサは、１〜４％の相対メタライゼーション高さを有する、請求項１から請求項４のいずれか１項に記載のフィルタ。
6. 前記ＳＰＵＤＴセルは、波長λ当たり４本のフィンガを含む、請求項１から請求項５のいずれか１項に記載のフィルタ。
7. 第２のファンタイプのトランスデューサをさらに備え、
   両トランスデューサは同じ音響トラック内の縦方向に沿って配置され、
   前記第１および第２のトランスデューサの間の自由表面伝搬を最小化するシールディング構造を備え、
   前記シールディング構造は、完全にメタライズされた領域または非反射フィンガ格子を含む、請求項１から請求項６のいずれか１項に記載のフィルタ。
8. 前記シールディング構造は、前記トランスデューサの増加幅とは反対の横断方向に増加している幅を有する台形領域を有する、請求項１から請求項７のいずれか１項に記載のフィルタ。
9. 前記基板の表面の前記音響トラックの縦方向における両端にダンピング構造が配置されている、請求項１から請求項８のいずれか１項に記載のフィルタ。
10. 前記トランスデューサは、縦方向に沿って延びているｎ個の数の並列チャネルを含み、
    前記ＰＳＡＷは、各チャネルで同じ遅延時間を有し、
    ｎは５＜ｎ＜５０の整数である、請求項７から請求項９のいずれか１項に記載のフィルタ。
11. 各チャネルは、横断方向において所定の横断方向の広がりを有し、それぞれのチャネルの前記フィンガの幅とフィンガの間隔とは横断方向の広がりに沿って一定であるが、隣り合うチャネルの方向には増加する、請求項１０に記載のフィルタ。