JP2832392B2 - 遅延等化器及びこれを接続した圧電フイルタ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は遅延等化器付き圧電フィルタを利用分野と
し、特に水晶フィルタの遅延特性を平坦にする遅延等化
器に関する。

（発明の背景） 水晶フィルタはそのＱ値が高いことから良好な伝送特
性を示し、一般には狭帯域用として通信機器等に使用さ
れる。近年では、デジタル通信等における信号の忠実度
を高めるべく、通過帯域内における減衰傾度及び群遅延
特性に優れたものが望まれている。

（従来技術） 第16図は水晶フィルタの一従来例を説明する回路構成
図である。

水晶フィルタは直列腕Ａと交差腕Ｂのラチス回路から
なり、各腕Ａ、ＢのインピーダンスZ_A、Z_Bをそれぞれ水
晶共振子Ｑ_{（Ａ、Ｂ）}とする。この場合、水晶共振子Ｑ
の等価回路は直列インダクタンスＬ、直列容量Ｃ及び並
列用量C₀で示される。そして、第17図に模式的に示した
ように、直列腕（Z_A）の角周波数で示す反共振点ω_Aaと
交差腕（Z_B）の共振点ω_B0を中心角周波数ω_０として一
致させる。そして、直列腕（Z_A）の共振点Z_A0と交差腕
（Z_B）の反共振点Z_Baの間を通過域Δωとし、通過域Δ
ω外で徐々に減衰する通過帯域特性を得る。通常では、
例えば3dB減衰域の帯域幅Δω′を調整するため、入出
力側に帯域調整用のコンデンサを設けて構成される。そ
して、水晶フィルタの用途に基づき、通過帯域内の振幅
を平坦にして減衰傾度を急峻にする振幅平坦型（チェビ
シェフ、バターワース等の設計法）「第18図（ａ）」
や、通過周波数の遅延時間を一定にする遅延平坦型（ベ
ッセル、ガウシャン等の設計法）「同図（ｂ）」を採用
する。さらに、一般には、このようなラチス回路で設計
されたものを、第19図（ａ）（ｂ）に示すヤーマン型や
モノリシック型に等価変換し、水晶共振子の数を減らし
て経済性を高めるようにしている。

（従来技術の問題点） しなしながら、上記構成のものでは、振幅平坦型にし
て減衰特性を急峻にすると遅延特性が平坦にならない。
また、遅延平坦型とすると振幅特性が平坦にならずに減
衰特性を鈍化させる。このことから、いずれの設計法を
採用しても、振幅特性を平坦にして減衰特性を急峻に
し、しかも遅延特性を平坦にしてデジタル通信に適した
伝送特性を得ることのできない問題があった。

また、このようなことから、水晶フィルタを振幅平坦
型として、その遅延特性を遅延等化器により相殺するこ
とも考えられる。しかし、既存の等化器はコイル及びコ
ンデンサから形成される。したがって、第20図に水晶フ
ィルタの遅延特性「曲線（イ）」と比較して示したよう
に、既存のもの「曲線（ロ）」では同曲線をなだらかに
してＱ値の高い水晶フィルタには直線適用できない問題
があった。

（発明の目的） 本発明は、水晶共振子を用いた遅延等化器及びこれを
用いて遅延特性を制御した圧電フィルタを提供すること
を目的とする。

（解決手段） 本発明は、ラチス型としたフィルタ回路における直列
腕ＸのインピーダンスZ_xと交差腕ＹのインピーダンスZ_Y
をそれぞれ圧電共振子を含む回路網として、少なくとも
一方の回路網には圧電共振子にインダクタを並列接続
し、前記フィルタ回路の中心角周波数に隣接するところ
の前記直列腕Ｘ（インピーダンスZ_X）の共振角周波数ω
_x0、反共振角周波数ω_xaと、前記交差腕Ｙ（インピーダ
ンスZ_Y）共振角周波数ω_Y0、反共振周波数ω_Yaとを、逆
配置（ω_x0＝ω_Ya、ω_xa＝ω_Y0）として遅延等化器を構
成したこと、及びこの遅延等化器をヤーマン型またはモ
ノリシック型に等価置換して遅延等化器を構成したこ
と、及びこれらの遅延等化器を水晶フィルタに接続して
遅延特性を制御したことを基本的な解決手段とする。以
下、本発明を実施例により詳細する。

（実施例） 先ず、遅延等化器の基本について説明する。遅延等化
器は前述したようなラチス型のフィルタ回路から構成さ
れる「第１図（ａ）」。この場合、等化すべき水晶フィ
ルタ（被接続水晶フィルタとする）の遅延特性のみを補
正するので、これ以外の振幅特性等に影響を与えないこ
とが条件となる。そこで、第１図（ｂ）に示したよう
に、直列腕（Z_X）と交差腕（Z_Y）の共振角周波数（以下
共振点）ω_X0、ω_Y0及び反共振点ω_Xa、ω_Yaの位置は互
いに逆配置とする。すなわち、直列腕Z_Xの共振点ω_X0と
交差腕Z_Yの反共振点ω_Yaとを角周波数ω_１に、また直列
腕Z_xの反共振点ω_Xaと交差腕Z_Yの共振点ω_Y0を角周波数
ω_２に一致させ、所謂全域通過型とする必要がある「但
しω₁ ²＝1/（L₁・C₁）、ω₂ ²＝1/（L₂・C₂）となる」。
したがって、直列腕（Z_X）と交差腕（Z_Y）とはZ_a・Z_b＝
R²（純抵抗）として互いに逆回路としなければならな
い。このことから、第２図に示したように例えば直列腕
（Z_X）を水晶共振子Q_Xの等価回路（L₁、C₁、C_P1）とす
れば「同図（ａ）」、交差腕Z_Yは水晶共振子の並列容量
をインダクタンスにした逆等価回路（L₂、C₂、L_p2）と
し「同図（ｂ）」、各素子値は次に導かれる関係を満足
しなければならない。すなわち、ある通過角周波数ω時
の直列腕Ｘと交差腕ＹのインピーダンスZ_XとZ_Yを求める
と次になる。

Z_X＝（1/jωC_p1）・（ω₂ ¹−ω^２）／（ω₂ ²−ω^２） Z_Y＝ｊω（L_p2・L₂/L_p2＋L₂）・（ω₂ ²−ω^２）／（ω₁ ²−ω^２） そして、R²＝Z_a・Z_b＝（L_p2・L₂/L_p2＋L₂）・（1/
C_p1）＝１として基準化すると、各回路中の素子（L₁、C
₁、C_p1、L₂、C₂、L_p2）値は次の関係になる。

L₁＝（1/C_p1）・1/（ω₂ ²−ω₁ ²）、C₁＝1/（ω₁ ²・L₁）、 L₂＝（L_P2・L₂/L_P2＋L₂）・ω₂ ²/（ω₂ ²−ω₁ ²）＝C_p1・ω₂ ² ／（ω₂ ²−ω₁ ²）＝L_p2・ω₁ ²/（ω₂ ²−ω₁ ²）、 C₂＝1/（ω₂ ²−L₂） このようなことから、各素子値が上記関係にあれば、
全域通過型となり、被接続水晶フィルタの振幅特性等を
損なうことがない。しかし、交差腕Z_Yの逆等価回路
（L₂、C₂、L_p2）に相当する水晶共振子及びこれに匹敵
したＱ値をもつ共振子は存在しない。したがって、逆等
価回路は通常のコイル、コンデンサから形成しなければ
ならず、これにより遅延特性は前述したようになだらか
になる。そこで、交差腕（Z_Y）は、上記関係式を満足す
る逆等価回路を残した上で、水晶共振子の等価回路を含
む形に変換する必要がある。例えば、第３図（ａ）に示
したように、交差腕（Z_Y）として逆等価回路（L₂、C₂、
L_p2）にC_P2を並列接続する。さらに、C_p2の付加により
反共振点ω_Yaが低域側に移行するのを防止するため、Δ
L_p2を並列接続する。なお、L_p2とΔL_pの合成値をL_p2′
とする「同図（ｂ）」。すなわち、L_p2′＝1/｛（1/
L_p2）＋ω₀ ²・C_p2｝になる。そして、このようにした上
で、L₂、C₂、C_P2を水晶共振子Q_Yに置換する「同図
（ｃ）」。このとき、C_P2の付加は、更に第４図に示し
たように、交差腕（Z_Y）の高域側に反共振点ω_cpを新た
に生じさせる。すなわち、直列腕（Z_a）に対する逆回路
関係を損ねることに起因する。しかしながら、各素子
（L₁、C₁、C_p1、L₂、C₂、L_p2′）値が上記関係にあれ
ば、中心角周波数ω_０に隣接した直列腕（Z_X）と交差腕
（Z_Y）の共振点ω_X0、ω_Y0と反共振点ω_Xa、ω_Yaは互い
に逆配置の状態にある「第５図（ａ）」。したがって、
直列腕（Z_a）と交差腕（Z_b）によるフィルタ回路の帯域
特性は、高域側の反共振点ω_cpを遮断角周波数とした通
過域特性（LPF特性）になる「第５図（ｂ）」。但し、
遮断角周波数ω_cpは次式で示される。

ω_cp＝｛α_ｂ＋（α_b ²−４β_ｂ）^1/2｝/2、但しα_ｂ＝1
/（L₂・C_p2＋1/（L_p2′・C_p2）＋ω₂ ²、β_ｂ＝ω₂ ²・1/
（L_p2′・C_p2） すなわち、高域側に生ずる遮断周波数ωC_pは容量C_p2
の大きさによってその位置を制御され、C_p2値が小さい
程ωC₂は中心周波数より遠い高域側になる。したがっ
て、このようなものでは、遮断角周波数ωC_p以下の領域
では全域通過となる。そして、遅延特性は、直列腕
（Z_X）及び交差腕（Z_Y）ともに水晶共振子からなるの
で、中心角周波数ω_０を中心として急峻な凸状の曲線に
なる「第６図」。但し、その傾度はω_２−ω_１（＝Δ
ω）が小さいほど大きくなる。

このようなことから、基本的には直列腕（Z_X）を水晶
共振子Q_Xとし、交差腕（Z_Y）を水晶共振子Q_Yとこれに並
列接続したインダクタL_p2′として上記関係式を満足す
るようにすれば、実質的には全域通過型として遅延特性
を急峻な凸状曲線とした遅延等化器を得ることができ
る。そして、このような遅延等化器を複数個縦続すれ
ば、任意の遅延特性を得ることができる。すなわち、複
数個のω_０及びω_１、ω_２、をそれぞれ設定することに
より、平坦部の領域を大きくしたり「第７図（ａ）」、
また双方曲線としたり「同図（ｂ）」することができ
る。したがって、被接続水晶フィルタの遅延特性をその
用途に応じて任意に制御できるともに、特に被接続水晶
フィルタを振幅平坦型としてその遅延特性を相殺するよ
うに遅延等化器を接続すれば、減衰傾度を急峻にしてし
かも遅延特性を平坦にした等化器付き水晶フィルタを実
現できる。そして、このようなラチス型の等化器は、第
８図に示したように、周知技術によりヤーマン型「同図
（ａ）」、あるいはモノリシック型「同図（ｂ）」に等
価置換できる。

（他の実施例） 上記遅延等化器では直列腕（Z_X）と交差腕（Z_Y）にお
ける角水晶共振子Ｑ_{（Ｘ、Ｙ）}の並列容量C_p1、C_p2が異
なる。したがって、実際上の設計にあたっては不便であ
る。そこで、先ず、L₁＝L₂とすると、各素子値（L₁、
L₂、C_p1、L_p2）は次になる。

L₁＝L₂＝ω₂ ²/（ω₂ ²−ω₁ ²）、 C_P1＝1/ω_２、L_p2＝ω₂/ω₁ ² ところで、このような全域通過型のものでは、水晶共
振子の通過帯域（共振点から反共振点までの間）は極め
て小さくなる。したがって、中心角周波数ω_０は、水晶
共振子の共振点あるいは反共振点時の角周波数ω_１、ω
_２に近似できる。すなわち、ω_０＝ω_１＝ω_２、ω₂ ²−
ω₁ ²＝２ω_０（ω_２−ω_１）となる。このことから、前
述の各素子（L₁、L₂、C_p1、L_P2）値は次になる。但しΔ
ω＝ω_２−ω_１とする。L₁＝L₂＝1/2Δω、C_P1＝1/
ω_０、L_p2＝1/（ω_０−２Δω） 次に、交差腕（Z_Y）は前述同様の水晶共振子Q_Y（L₂、
C₂、C_P2）にL_p2′を並列接続した回路のままとし（第９
図）、直列腕（Z_X）を第10図のようにする。すなわち、
直列腕（Z_X）の水晶共振子Q_X（L₁、C₁、C_P1）に交差腕
（Z_Y）の並列容量C_p2を並列接続する「同図（ａ）」。
そして、（L₁、C₁、C_P2）を水晶共振子Q_X′に置換する
とともに、C_P2に付加による反共振点ω_Xaの移動を防止
するため、インダクタL_P1を並列接続する「同図
（ｂ）」。但し、L_p1＝1/ω₀ ²⁽C_p1＋C_p2)になる。この
ようなことから、直列腕（Z_X）と交差腕（Z_Y）における
水晶共振子Ｑ_{（Ｘ′Ｙ）}の並列容量をC_p2として等しく
できる。したがって、このようなものでは、水晶共振子
Ｑ_{（Ｘ′Ｙ）}の特に並列容量を決定する電極面積を両者
とも同一にして設計すればよいので、例えば電極形成時
に同一形状の蒸着マスクを使用すればよく、これにより
作業性を向上できる。

なお、この場合第11図に示したように、インダクタL
_P1の付加は低域側に新たな反共振点ω_Lpを発生させる。
しかしながら、各素子（L₁、C₁、C_p1、L₂、C₂、L_p2′）
値が上記関係にあれば、中心角周波数ω_０に隣接した直
列腕（Z_X）と交差腕（Z_Y）の共振点ω_X0、ω_Y0と反共振
点ω_Xa、ω_Yaは互いに逆配置の状態にある「同図
（ａ）」。したがって、この水晶フィルタ（遅延等化
器）は、高域側に前述した遮断角周波数ω_cpを、低域側
に反共振点ω_Lpによる遮断角周波数（ω_Lp）をもった通
過域特性（BPF特性）になる「同図（ｂ）」。但し、遮
断角周波数ω_Lpは次式で示される。

ω_Lp＝｛α_ａ−（αa²−４β_ａ）^1/2｝/2、但しα_ａ＝1
/｛L₁・（C_p1 ⁺C_p2）｝＋1/（L_p1・C_p1）＋ω₁ ²、β_ａ＝
ω₁ ²・1/（L_p1・C_p1）すなわち、低域側に生ずる遮断周
波数ω_LpはインダクタL_p2の大きさによってその位置を
制御され、L_p2値が大きい程ω_LPは中心周波数より遠い
低域側になる。

また、この実施例において第12図に示したように、直
列腕（Z_X）のL_p1を交差腕（Z_Y）のL_p2′に等しくすれ
ば、直列腕（Z_X）の並列接続の容量を2C_P1としたラチス
回路になる（第13図）。但し終端インピーダンスをＲと
する。さらに、両腕（Z_X、Z_Y）のL_p2′をラチスの外に
だすと第14図になる。したがって、この場合には、ヤー
マン型に等価変換した場合、水晶共振子に接続するコイ
ルを不要とするので（第15図）、経済的に有利になる。

（他の事項） なお、上記実施例では水晶共振子を一例として説明し
たが、他の圧電材料からなる圧電振動子であっても同様
の効果を奏するものである。また、ラチス型からモノリ
シック型に等価変換する際、モノリシック型は順接続と
したが、逆接続型としても構成できる。

（発明の効果） 本発明は、ラチス型としたフィルタ回路における直列
腕ＸのインピーダンスーZ_xと交差腕Ｙのインピーダンス
Z_Yをそれぞれ圧電共振子を含む回路網として、少なくと
も一方の回路網には圧電共振子にインダクタを並列接続
し、前記フィルタ回路の中心角周波数に隣接するところ
の前記直列腕Ｘ（インピーダンスZ_X）の共振角周波数ω
_x0、反共振角周波数ω_xaと、前記交差腕Ｙ（インピーダ
ンスZ_Y）共振角周波数ω_Y0、反共振周波数ω_Yaとを、逆
配置（ω_x0＝ω_Ya、ω_xa＝ω_Y0）として遅延等化器を構
成したこと、及びこの遅延等化器をヤーマン型またはモ
ノリシック型に等価置換して遅延等化器を構成したこ
と、及びこれらの遅延等化器を水晶フィルタに接続して
遅延特性を制御したことを基本的な解決手段としたの
で、水晶共振子を用いた遅延等化器及びこれを用いて振
幅及び遅延特性とも平坦にした圧電フィルタを提供で
き、その技術的価値はデジタル通信を高精度にできるこ
とから極めて高いものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明を説明するための基本的な遅延等化器の
図で、同図（ａ）はラチス型のフィルタ回路、同図
（ｂ）は直列腕（Z_X）と交差腕（Z_Y）における共振点及
び反共振点の配置図、第２図は遅延等化器を構成するた
めの直列腕（Z_X）と交差腕（Z_Y）の回路図で、同図
（ａ）は水晶共振子の等価回路図、同図（ｂ）は逆等価
回路図である。 第３図は本発明の一実施例を説明する図で、同図（ａ）
（ｂ）（ｃ）ともに交差腕（Z_Y）の回路構成図、第４図
は同実施例における交差腕（Z_Y）の共振点及び反共振点
の配置図、第５図は同実施例の作用を説明する図で、同
図（ａ）は直列腕（Z_X）と交差腕（Z_Y）における共振点
及び反共振点の配置図、同図（ｂ）は通過域特性図であ
る。 第６図は本発明の一実施例の作用を説明する遅延特性
図、第７図（ａ）（ｂ）は遅延等化器を縦続したときの
遅延特性図である。 第８図は本発明の一実施例をヤーマン型及びモノリシッ
ク型に等価変換した回路図である。 第９図は本発明の他の実施例を説明する交差腕（Z_Y）の
回路図、第10図（ａ）（ｂ）は同直列腕（Z_X）の回路
図、第11図（ａ）は直列腕（Z_X）と交差腕（Z_Y）におけ
る共振点及び反共振点の配置図、同図（ｂ）は通過域特
性図である。 第12図は本発明の他の実施例を説明する交差腕（Z_Y）の
回路図、第13、第14図は同ラチス回路図、第15図は同ラ
チス回路をヤーマンに等価変換した回路図である。 第16図は従来例を説明するラチス型フィルタ回路、第17
図は直列腕（Z_X）と交差腕（Z_Y）における水晶共振子の
等価回路図、第17図（ａ）は直列腕（Z_X）と交差腕
（Z_Y）における共振点と反共振点との配置図、同図
（ｂ）は通過域特性図、第18図（ａ）は振幅平坦型の、
同図（ｂ）は遅延平坦型の伝送特性図、第19図（ａ）は
ヤーマン型の、同図（ｂ）はモノリシック型の回路図、
第20図はLCフィルタと水晶フィルタを比較する遅延特性
図である。

Claims (6)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】直列腕ＸのインピーダンスZ_xと交差腕Ｙの
   インピーダンスZ_yからラチス型のフィルタ回路を形成し
   て、前記インピーダンスZ_X、Z_Yをそれぞれ圧電共振子を
   含む回路網とするとともに、少なくとも一方の回路網に
   は圧電共振子にインダクタを並列接続し、 前記フィルタ回路の中心角周波数をω_０として、前記直
   列腕Ｘ（インピーダンスZ_X）の中心角周波数ω_０に隣接
   する共振角周波数をω_x0、反共振角周波数をω_xa、ま
   た、前記交差腕Ｙ（インピーダンスZ_Y）の中心角周波数
   ω_０に隣接する共振角周波数をω_Y0、反共振周波数をω
   _Yaとしたとき、 前記直列腕Ｘの共振角周波数ω_X0と交差腕Ｙの反共振周
   波数ω_Yaとを、また、該直列腕Ｘの前記反共振周波数ω
   _Xaと該交差腕Ｙの共振周波数ω_Y0とを一致させて構成し
   たことを特徴とする遅延等化器。
2. 【請求項２】特許請求の範囲第１項記載の遅延等化器に
   おいて、一方の回路網に対する他方の回路網の水晶共振
   子にインダクタと容量を並列接続し、前記一方の回路網
   と他方の回路網における水晶共振子の並列容量を等しく
   したことを特徴とする遅延等化器。
3. 【請求項３】特許請求の範囲第１項または第２項記載の
   遅延等化器をヤーマン回路に等価変換して構成したこと
   を特徴とする遅延等化器。
4. 【請求項４】特許請求の範囲第１項または第２項記載の
   遅延等化器を多重モードを利用したモノリシック型フィ
   ルタに等価変換して構成したことを特徴とする遅延等価
   器。
5. 【請求項５】特許請求の範囲第１項または第２項または
   第３項または第４項記載の遅延等価器を圧電フィルタに
   接続して、該圧電フィルタの遅延特性を制御したことを
   特徴とする遅延等化器付き圧電フィルタ。
6. 【請求項６】特許請求の範囲第５項記載の前記圧電フィ
   ルタを振幅平坦型として、該圧電フィルタの遅延特性を
   相殺し、振幅特性と遅延特性のいずれをも平坦にしたこ
   とを特徴とする遅延等化器付き圧電フィルタ。