JP2016054393A - ラダー型フィルタ及びデュプレクサ - Google Patents

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Abstract

【課題】電気的特性を劣化させることなく、耐電力性を高め得るラダー型フィルタを提供する。【解決手段】弾性表面波共振子からなる複数の直列腕共振子Ｓ１〜Ｓ５と、並列腕共振子Ｐ１〜Ｐ４とを備えており、複数の直列腕共振子Ｓ１〜Ｓ５のうち、最も静電容量が小さい直列腕共振子Ｓ１のメタライゼーション比が、複数の直列腕共振子Ｓ１〜Ｓ５の中で最も小さく、かつ最も静電容量が小さい直列腕共振子Ｓ１の電極指ピッチが、複数の直列腕共振子Ｓ１〜Ｓ５の電極指ピッチのうち最も大きい、ラダー型フィルタ。【選択図】図１

Description

本発明は、複数の弾性波共振子を用いて構成されているラダー型フィルタ及び該ラダー型フィルタを送信フィルタとして有するデュプレクサに関する。
従来、ラダー型弾性表面波フィルタが、携帯電話機のデュプレクサの送信フィルタなどに広く用いられている。下記の特許文献１には、このようなデュプレクサの一例が開示されている。特許文献１では、ラダー型弾性表面波フィルタの複数の直列腕共振子のうち、静電容量が最も大きい直列腕共振子が送信端子側に配置されている。
特開２０１３−１６８９９６号公報
特許文献１に記載のように、送信端子、すなわち入力端子に最も近い直列腕共振子の静電容量を最も大きくすることにより、耐電力性を高めることができる。しかしながら、静電容量が大きくなると、電気的特性が悪化するという問題があった。
本発明の目的は、電気的特性を劣化させることなく、耐電力性を高め得るラダー型フィルタを提供することにある。
本発明に係るラダー型フィルタは、それぞれが弾性表面波共振子からなる複数の直列腕共振子と、弾性表面波共振子からなる並列腕共振子とを備え、前記複数の直列腕共振子のうち、最も静電容量が小さい直列腕共振子のメタライゼーション比が前記複数の直列腕共振子の中で最も小さく、かつ最も静電容量が小さい前記直列腕共振子の電極指ピッチが、前記複数の直列腕共振子の電極指ピッチのうち最も大きい。
本発明に係るラダー型フィルタのある特定の局面では、少なくとも３個の前記直列腕共振子を有する。この場合には、３個以上の直列腕共振子を有するため、耐電力性をより一層高めることができ、かつ電気的特性、特にＶＳＷＲ特性の劣化を効果的に抑制することができる。
本発明に係るラダー型フィルタの他の特定の局面では、最も静電容量が小さい前記直列腕共振子が、第１の分割共振子と、第１の分割共振子と直列に接続されている第２の分割共振子とを有するように直列分割されている。この場合には、耐電力性をより一層高めることができる。
本発明に係るラダー型フィルタのさらに他の特定の局面では、入力端子と出力端子とを有し、入力端子と出力端子とを結ぶ直列腕に前記複数の直列腕共振子が設けられており、最も静電容量が小さい前記直列腕共振子が、複数の前記直列腕共振子のうち入力端子に最も近い。最も大きな電力が印加されるのは、入力端子に最も近い直列腕共振子である。従って、耐電力性をより一層高めることができ、かつＶＳＷＲ特性などの電気的特性の劣化が生じ難い。
本発明に係るラダー型フィルタは、送信フィルタとして好適に用いられる。送信フィルタでは、耐電力性がより強く求められるため、本発明がより効果的である。
本発明に係るデュプレクサは、本発明に従って構成されたラダー型フィルタを有する送信フィルタと、一端が前記送信フィルタの一端と共通接続されている受信フィルタとを有する。本発明に係るデュプレクサでは、送信フィルタにおいて、耐電力性の向上とＶＳＷＲ特性の劣化の抑制が図られるため、送信フィルタだけでなく、受信フィルタにおける電気的特性も高めることができる。
本発明に係るラダー型フィルタによれば、耐電力性を高めることができ、しかもＶＳＷＲ特性やフィルタ特性などの電気的特性の劣化を抑制することができる。
本発明の第１の実施形態に係るデュプレクサの回路図である。 本発明の第１の実施形態に係るラダー型フィルタの各直列腕共振子の消費電力と周波数との関係を示す図である。 本発明の比較例１に係るラダー型フィルタの各直列腕共振子の消費電力と周波数との関係を示す図である。 第１の実施形態及び比較例１のラダー型フィルタの減衰量周波数特性を示す図である。 第１の実施形態及び比較例１のラダー型フィルタのＶＳＷＲ特性を示す図である。 第１の実施形態及び比較例１のラダー型フィルタの送信端子側のインピーダンス特性を示すインピーダンススミスチャートである。 比較例２のラダー型フィルタにおける各直列腕共振子の消費電力と周波数との関係を示す図である。 比較例１及び比較例２のラダー型フィルタの減衰量周波数特性を示す図である。 比較例１及び比較例２のラダー型フィルタの送信端子側端部におけるＶＳＷＲ特性を示す図である。 比較例１及び比較例２のラダー型フィルタの送信端子側におけるインピーダンス特性を示すインピーダンススミスチャートである。 第２の実施形態に係るデュプレクサの回路図である。 比較例３における各直列腕共振子の消費電力と周波数との関係を示す図である。 本発明の第２の実施形態に係るラダー型フィルタの各直列腕共振子の消費電力と周波数との関係を示す図である。 第２の実施形態及び比較例３のラダー型フィルタの減衰量周波数特性を示す図である。 第２の実施形態及び比較例３のラダー型フィルタの送信端子側端部におけるＶＳＷＲ特性を示す図である。 第２の実施形態及び比較例３のラダー型フィルタの送信端子側のインピーダンス特性を示すインピーダンススミスチャートである。
以下、図面を参照しつつ、本発明の具体的な実施形態を説明することにより、本発明を明らかにする。
図１は、本発明の第１の実施形態に係るラダー型フィルタを有するデュプレクサの回路図である。
デュプレクサ１は、送信フィルタ２と受信フィルタ３とを有する。アンテナ端子４に共通接続端子５が接続されている。共通接続端子５とグラウンド電位との間にインダクタンス６がインピーダンス整合を図るために設けられている。送信フィルタ２は、入力端子としての送信端子７と、出力端子としての共通接続端子５とを有する。また、受信フィルタ３は、入力端子としての共通接続端子５と、出力端子としての受信端子８とを有する。
本実施形態のデュプレクサは、Ｂａｎｄ１３において用いられる。Ｂａｎｄ１３では、送信帯域は、７７７〜７８７ＭＨｚであり、受信帯域は７４６〜７５６ＭＨｚである。
デュプレクサ１では、送信フィルタ２は、ラダー型弾性表面波フィルタにより構成されており、このラダー型弾性表面波フィルタが、本発明の第１の実施形態のラダー型フィルタに相当する。
なお、受信フィルタ３は、共通接続端子５側に接続されている共振子Ｓ１１を有する。共振子Ｓ１１の後段に、縦結合共振子型弾性表面波フィルタ９が接続されている。縦結合共振子型弾性表面波フィルタ９は、２個の３ＩＤＴ型縦結合共振子型弾性表面波フィルタを縦続接続した構成を有している。縦結合共振子型弾性表面波フィルタ９の出力端と、グラウンド電位との間に共振子Ｐ１１が接続されている。
送信フィルタ２では、入力端子としての送信端子７側から順に、直列腕共振子Ｓ１〜Ｓ５が直列腕に配置されている。直列腕共振子Ｓ１〜Ｓ５は互いに直列に接続されている。また、並列腕共振子Ｐ１〜Ｐ４が、送信端子７側から順に、直列腕とグラウンド電位とに接続されている。並列腕共振子Ｐ１は、直列腕共振子Ｓ１の入力端とグラウンド電位との間に接続されている。並列腕共振子Ｐ１とグラウンド電位との間には、インダクタンスＬ１が接続されている。
並列腕共振子Ｐ２，Ｐ３は、直列腕共振子Ｓ２と直列腕共振子Ｓ３との間の接続点に一端が電気的に接続されており、他端同士が共通接続されている。また、並列腕共振子Ｐ４の一端が、直列腕共振子Ｓ３，Ｓ４間の接続点に接続されており、他端が並列腕共振子Ｐ２，Ｐ３と共通接続されている。並列腕共振子Ｐ２〜Ｐ４の共通接続されている部分と、グラウンド電位との間にインダクタンスＬ２が接続されている。
ラダー型弾性表面波フィルタからなるため、送信フィルタ２の複数の直列腕共振子Ｓ１〜Ｓ５及び並列腕共振子Ｐ１〜Ｐ４は、いずれも弾性表面波共振子からなる。
上記デュプレクサ１は、ＬｉＴａＯ３基板上にこれらの回路構成を実現する電極と、上記インダクタンス６、Ｌ１，Ｌ２とを設けることにより構成されている。電極材料としては、本実施形態では、Ａｌを用いている。もっとも、圧電基板及び電極を構成する材料は上記に限定されるものではない。
本実施形態のラダー型フィルタからなる送信フィルタ２の特徴は、入力端子である送信端子７に最も近い直列腕共振子Ｓ１の静電容量が、複数の直列腕共振子Ｓ１〜Ｓ５の静電容量のうち最も小さく、
１）最も静電容量が小さい直列腕共振子Ｓ１のメタライゼーション比が、直列腕共振子Ｓ１〜Ｓ５のメタライゼーション比のうち最も小さく、かつ
２）最も静電容量が小さい直列腕共振子Ｓ１の電極指ピッチが、複数の直列腕共振子Ｓ１〜Ｓ５の電極指ピッチのうち最も大きい
ことにある。
それによって、静電容量の値を大きくせずに耐電力性を高めることができ、かつフィルタ特性やＶＳＷＲ特性などの電気的特性の劣化を抑制することが可能とされている。これを、具体的な実験例に基づき説明する。なお、メタライゼーション比とは、弾性表面波の伝搬方向に沿う方向において、電極指の幅を電極指の幅と電極指間の隙間との和で除した比率である。
上記第１の実施形態における送信フィルタの各直列腕共振子Ｓ１〜Ｓ５の設計パラメータを下記の表１に示す。
Figure 2016054393
比較のために、直列腕共振子Ｓ１〜Ｓ５を下記の表２に示す通りとしたことを除いては、上記第１の実施形態と同様にして、比較例１の送信フィルタを作製した。
Figure 2016054393
表２から明らかなように、比較例１では、直列腕共振子Ｓ１〜Ｓ５のメタライゼーション比、すなわちデューティは、全て０．６と等しい。
また、直列腕共振子Ｓ１の電極指ピッチは、直列腕共振子Ｓ１〜Ｓ５のうち最大ではない。
これに対して、表１から明らかなように、第１の実施形態では、直列腕共振子Ｓ１のデューティが０．４と、残りの直列腕共振子Ｓ２〜Ｓ５よりも小さい。また、印加電力が最大となる送信フィルタの最も入力側に配置される直列腕共振子Ｓ１の電極指ピッチは、直列腕共振子Ｓ１〜Ｓ５の電極指ピッチのうち最大となっている。
図２は、上記第１の実施形態における各直列腕共振子の消費電力と周波数との関係を示す図である。また、図３は、上記比較例１における各直列腕共振子の消費電力と周波数との関係を示す図である。図２及び図３の特性は、送信端子に８００ｍＷの電力を印加した場合の、各直列腕共振子Ｓ１〜Ｓ５の単位面積あたりの消費電力を求めたものである。
消費電力が大きい直列腕共振子ほど、電極の負荷が大きいことになる。従って、ＩＤＴ電極が印加電力によりエレクトロマイグレーションを引き起し、破壊されやすい。すなわち、耐電力性が低いことを意味する。
比較例１では、送信端子７に最も近い直列腕共振子Ｓ１の消費電力が、最も高い。従って、大きな電力が印加されると、最も発熱が大きく破壊されやすい。よって、耐電力性を高めるには、直列腕共振子Ｓ１の消費電力を低める必要がある。
これに対して、図２から明らかなように、第１の実施形態では、直列腕共振子Ｓ１の送信帯域における消費電力が最も高い部分においても、比較例１に比べ、消費電力が約２５％程度低くなっていることがわかる。従って、上記第１の実施形態によれば、比較例１に比べて、ＩＤＴ電極の耐熱負荷が小さく、耐電力性を高めることが可能とされている。
また、図４は、上記第１の実施形態及び比較例１の送信フィルタの減衰量周波数特性を示す図である。実線が第１の実施形態の結果を、破線が比較例１の結果を示す。図４から明らかなように、上記第１の実施形態では、比較例１とほぼ同等のフィルタ特性が得られていることがわかる。
また、図５は、上記第１の実施形態及び比較例１の送信端子側におけるＶＳＷＲ特性を示す図である。実線が第１の実施形態の結果を示し、破線が比較例１の結果を示す。図５から明らかなように、ＶＳＷＲ特性においても、第１の実施形態は、比較例１に比べて特性がほとんど劣化していないことがわかる。
図６のインピーダンススミスチャートにおいて、実線が第１の実施形態の結果を、破線が比較例１の結果を示す。インピーダンス特性についても、第１の実施形態は比較例１に比べてほとんど低下していないことがわかる。
よって、上記のように、第１の実施形態によれば、ＶＳＷＲ特性、フィルタ特性及びインピーダンス特性をほとんど劣化させることなく、耐電力性を効果的に高め得ることがわかる。これは、以下の理由によると考えられる。最も静電容量が小さい直列腕共振子Ｓ１において、メタライゼーション比すなわちデューティを最も小さくかつ電極指ピッチを最も大きくしたことにより、静電容量の値を大きく変えることなく、交差幅あるいは対数を大きくすることができる。従って、電気的特性の劣化を生じることなく、耐電力性を高めることができる。
次に、直列腕共振子Ｓ１〜Ｓ５の設計パラメータを下記の表３に示す通りとしたことを除いては、上記比較例１と同様にして、比較例２の送信フィルタを有するデュプレクサを作製した。
Figure 2016054393
表３から明らかなように、比較例２では、直列腕共振子Ｓ１のメタライゼーション比、すなわちデューティは比較例１と同じであるが、電極指の交差幅を大きくし、静電容量を比較例１よりも大きくした。その他の点については、比較例２は比較例１と同様である。
図７は、比較例２における各直列腕共振子Ｓ１〜Ｓ５の消費電力と周波数との関係を示す図である。
図８〜図１０は、上記比較例１と比較例２との電気的特性の比較を示す。図８〜図１０において、実線が比較例２の結果を、破線が比較例１の結果を示す。
図８はフィルタ特性を示し、図９はＶＳＷＲ特性を示し、図１０は送信端子側におけるインピーダンス特性を示すインピーダンススミスチャートである。
図８から明らかなように、比較例２では、直列腕共振子Ｓ１の静電容量を大きくしているため、送信帯域において消費電力のピークが、比較例１よりも約１５％小さくなっている。
しかしながら、ＶＳＷＲ特性においては、図９から明らかなように、送信帯域における最小ＶＳＷＲが、１．１３から１．３８と悪化している。また、図１０から明らかなように、インピーダンス特性においても、５０Ωからはずれ、インピーダンススミスチャートにおける巻きの拡がりが大きくなり、悪化していることがわかる。パワーアンプとのインピーダンスマッチングを考慮すると、このインピーダンススミスチャートにおける巻きは小さい方が望ましい。
以上のように、比較例２では、比較例１に比べて耐電力性は改善され得るものの、電気的特性の劣化、特にＶＳＷＲ特性やインピーダンス特性の劣化が大きいという問題のあることがわかる。
図１１は、第２の実施形態に係る送信フィルタを備えたデュプレクサの回路図である。
図１１に示すように、第２の実施形態のデュプレクサ２１では、直列腕共振子Ｓ１〜Ｓ６を、送信端子７側から順に配置した。また、並列腕共振子Ｐ１の一端は、直列腕共振子Ｓ１，Ｓ２間の接続点と接続した。さらに、並列腕共振子Ｐ２の一端を、直列腕共振子Ｓ３，Ｓ４間の接続点と接続し、並列腕共振子Ｐ３の一端を直列腕共振子Ｓ４，Ｓ５間の接続点と接続した。並列腕共振子Ｐ４の一端が、直列腕共振子Ｓ５，Ｓ６間の接続点と接続されている。並列腕共振子Ｐ２〜Ｐ４の他端同士を共通接続した。並列腕共振子Ｐ２〜Ｐ４の共通接続点とグラウンド電位との間にインダクタンスＬ２を接続した。また、受信フィルタ２３側においては、一端が接地電位に接続される共振子Ｐ１１を設けなかった。デュプレクサ２１におけるその他の構成は、デュプレクサ１と同様であるため、同一部分については同一の参照番号を付することによりその説明を省略する。
上記デュプレクサ２１の送信フィルタ２２における直列腕共振子Ｓ１〜Ｓ６の設計パラメータを下記の表４に示す。
Figure 2016054393
比較のために、直列腕共振子Ｓ１〜Ｓ６の設計パラメータを下記の表５に示す通りとしたことを除いては、上記第２の実施形態と同様にして、比較例３のデュプレクサを作製した。
Figure 2016054393
表５から明らかなように、比較例３では、直列腕共振子Ｓ４の静電容量が３．６ｐＦと最も小さい。もっとも、直列腕共振子Ｓ４のデューティ、すなわちメタライゼーション比は、他の直列腕共振子Ｓ１〜Ｓ３，Ｓ５，Ｓ６と等しくされている。電極指ピッチについても、直列腕共振子Ｓ４の電極指ピッチは直列腕共振子Ｓ１〜Ｓ６において最大ではない。
これに対して、表４に示すように、第２の実施形態では、直列腕共振子Ｓ４の静電容量が最も小さく、３．７ｐＦである。この直列腕共振子Ｓ４のメタライゼーション比すなわちデューティは０．４７と最小である。さらに、電極指ピッチは、２．６６４μｍであり、直列腕共振子Ｓ１〜Ｓ６のうち最大である。
図１２は比較例３の直列腕共振子Ｓ１〜Ｓ６における消費電力と周波数との関係を示す図であり、図１３は、上記第２の実施形態における直列腕共振子Ｓ１〜Ｓ６の消費電力と周波数との関係を示す図である。
比較例３に比べ、第２の実施形態によれば、送信帯域において直列腕共振子Ｓ４の消費電力のピークは、比較例３に比べ、約２５％程度低くなっていることがわかる。従って、耐電力性を効果的に高め得ることができる。
他方、図１４〜図１６は、比較例３と第２の実施形態の送信フィルタの電気的特性の比較を示す図である。図１４はフィルタ特性を、図１５はＶＳＷＲ特性を、図１６は送信端子側におけるインピーダンススミスチャートを示す図である。
図１４〜図１６において実線が第２の実施形態の結果を、破線が比較例３の結果を示す。
図１４〜図１６から明らかなように、フィルタ特性、ＶＳＷＲ特性及びインピーダンス特性において、第２の実施形態は比較例３とほとんど差のないことがわかる。従って、第２の実施形態においても、電気的特性の劣化をほとんど引き起こすことなく、耐電力性を効果的に高め得ることがわかる。
また、第１の実施形態と第２の実施形態とを対比すると、送信端子、すなわち電力が印加される入力端子に最も近い直列腕共振子Ｓ１に本願発明の特徴的構成を採用した第１の実施形態の方が、耐電力性をより効果的に高め得ることができる。従って、第２の実施形態に比べて、第１の実施形態が望ましい。
さらに、他の直列腕共振子に比べて静電容量が小さい直列腕共振子Ｓ１が、合成された静電容量が直列腕共振子Ｓ１の静電容量と等しく、互いに直列接続される複数の分割共振子によって構成されことが好ましい。このとき、互いに等しい構成を有する分割共振子であることが、直列分割共振子の間のインピーダンス、または共振周波数の差による損失を抑制できるため、さらに好ましい。
なお、本発明に係るラダー型フィルタは、様々な帯域通過型フィルタに好適に用いられるが、耐電力性の改善がより強く求められるデュプレクサの送信フィルタにおいてより効果的である。
１…デュプレクサ
２…送信フィルタ
３…受信フィルタ
４…アンテナ端子
５…共通接続端子
６…インダクタンス
７…送信端子
８…受信端子
９…縦結合共振子型弾性表面波フィルタ
２１…デュプレクサ
２２…送信フィルタ
２３…受信フィルタ
Ｐ１〜Ｐ４…並列腕共振子
Ｐ１１…共振子
Ｓ１〜Ｓ６…直列腕共振子
Ｓ１１…共振子
Ｌ１，Ｌ２…インダクタンス

Claims (6)

  1. それぞれが弾性表面波共振子からなる複数の直列腕共振子と、弾性表面波共振子からなる並列腕共振子とを備え、
    前記複数の直列腕共振子のうち、最も静電容量が小さい直列腕共振子のメタライゼーション比が前記複数の直列腕共振子の中で最も小さく、かつ最も静電容量が小さい前記直列腕共振子の電極指ピッチが、前記複数の直列腕共振子の電極指ピッチのうち最も大きい、ラダー型フィルタ。
  2. 少なくとも３個の前記直列腕共振子を有する、請求項１に記載のラダー型フィルタ。
  3. 最も静電容量が小さい前記直列腕共振子が、第１の分割共振子と、第１の分割共振子と直列に接続されている第２の分割共振子とを有するように直列分割されている、請求項１または２に記載のラダー型フィルタ。
  4. 入力端子と出力端子とを有し、入力端子と出力端子とを結ぶ直列腕に前記複数の直列腕共振子が設けられており、最も静電容量が小さい前記直列腕共振子が、複数の前記直列腕共振子のうち入力端子に最も近い、請求項１〜３のいずれか１項に記載のラダー型フィルタ。
  5. 送信フィルタである、請求項１〜４のいずれか１項に記載のラダー型フィルタ。
  6. 請求項１〜４のいずれか１項に記載のラダー型フィルタを有する送信フィルタと、一端が前記送信フィルタの一端と共通接続されている受信フィルタとを有するデュプレクサ。
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