JP3386806B2 - 通信装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】 本発明は、弾性表面波素子を有する通信装置に係り、
さらに詳しくは携帯電話、自動車電話等に代表される移
動無線、セルラ無線に用いて特に好適な通信装置に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】

従来の弾性表面波素子は、圧電基板上に電気信号を弾
性表面波に変換するトランスデューサと弾性表面波を電
気信号に変換するトランスデューサを組合せて構成して
いた（例えば、アイ・イー・イー・イー，トランザクシ
ョン オン マイ クロウェーブ セオリ アンド テ
クニークス エム テー テー 33（1985年）第510頁
から第518頁（IEEE Trans.Microwave Theory and Techn
iques,MTT−33,（1985）pp.510−518））。また、単一
アンテナで送信と受信を同時に行う自動車電話等では、
送信系の弾性表面波素子と受信系の弾性表面波素子の入
力または出力の各端子の一方を単にアンテナ端子に適当
な伝送線路を介して結合していた（例えば、アイ・イー
・イー・イー，トランザクション オン マイクロウェ
ーブ セオリ アンド テクニークス エム テー テ
ー 36（1988年）第1047頁から1056頁（IEEE Trans.Mic
rowave Theory and Techniques,MTT−36,（1988）pp.10
47−1056））。このような送信系の弾性表面波素子と受
信系の弾性表面波素子を単一モジュールに実装し、分波
器（Antenna Duplexer）として自動車電話等の送受同時
通話無線機端末のアンテナ端子に導入していた。

【０００３】 また、特開昭63−132515号公報に記載のような従来の
弾性表面波共振器複合形フィルタは、単一圧電基板上に
形成した複数個の一開口弾性表面波共振器の組合せによ
り構成されており、フィルタの特性合成あるいは、帯域
間の立上り、立ち下がり特性は共振器の電極構造によっ
て定まっている。その具体的な構造の例を図４に示す。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】

しかし、従来形の弾性表面波素子あるいはフィルタを
組合せた分波器等では、欧州の一部の自動車電話システ
ムのように送信および受信の各周波数帯域幅が非常に広
く、かつ、送信帯域および受信帯域の間隔が非常に狭い
システムに対しては対処出来ない欠点がある。

【０００５】 また、従来技術においては同一基板上に狭帯域な共振
器と広帯域な共振器を形成するため、通過帯域の低損失
特性と阻止域の高減衰特性を両立させる上で問題があっ
た。

【０００６】 移動無線などの通信分野においては、周波数の有効利
用のため、帯域間の周波数差は小さい。このため、フィ
ルタ特性には急峻な立上り、立下り特性が要求されてお
り、複数の弾性表面波共振器を用いる構成では、通過帯
域近傍の減衰特性に特に影響する一開口共振器に狭帯域
特性のものが必要である。狭帯域な共振特性を実現する
ためには、圧電性が小さく、電気機械結合係数の小さい
基板が有利であるが、一方、変換効率が低いために損失
が増加する欠点がある。このため、急峻な立下り特性を
実現するために電気機械結合係数の小さい基板を用いた
場合、通過帯域からより離れた領域の減衰特性を合成す
る共振器も同様の基板に形成するため、損失が増加す
る。

【０００７】 上記従来技術の有する技術的課題を解決するために、
本発明は以下に述べる特徴を有する。

【０００８】

【課題を解決するための手段】

本発明の通信装置は、受信フィルタに、第１の電気機
械結合係数を有する圧電基板上に設けられた第１の弾性
表面波素子と、この第１の弾性表面波素子と電気的に接
続され、上記第１の電気機械結合係数よりも小さい第２
の電気機械結合係数を有する圧電基板上に設けられた第
２の弾性表面波素子とを有する。圧電基板の電気機械結
合係数を異ならせ、それぞれの弾性表面素子を組み合わ
せて複合フィルタを構成することにより、急峻なフィル
タの立上り、立ち下がり特性を低損失で実現することが
できる。すなわち、複数の弾性表面波素子で構成する合
成フィルタでは個々の素子（共振器）の共振特性によっ
て例えば通過帯域と阻止帯域を実現する。電気機械結合
係数の小さい圧電基板上に形成した弾性表面波素子は狭
帯域な特性を有するので、通過帯域近傍の減衰域部の合
成に用いることにより、急峻な立上りあるいは立下り特
性を実現できる。また、電気機械結合係数の大きい圧電
基板上に形成した弾性表面波素子は表面波の励振効率が
高く広域な共振特性を有するので、通過帯域から離れ
た、すなわち急峻性の要求されない減衰域部の共振器と
して用いることにより、低損失、高減衰特性を実現でき
る。従って、上記の電気機械結合係数の異なる複数の圧
電基板に形成した弾性表面波素子を組合せてフィルタを
構成することにより、急峻特性で低損失特性と高減衰特
性が両立したフィルタを合成することができる。この効
果は、圧電基板の電気機械結合係数を異ならせ、それぞ
れの弾性表面波素子を組み合わせて複合フィルタを構成
することにより得られるものであり、これら電気機械結
合係数の異なる複数の圧電基板が、更に共通の基板上に
設けられている場合にも出現することは容易に理解され
る。

【０００９】

【発明の実施の形態】

以下、具体的な実施例を図面を用いて詳細に説明す
る。各図中、同一符号は、同一構成を示す。図１に本発
明の実施例を示す。

【００１０】 図１は本発明によるフィルターの一実施例の構成図で
弾性表面波の伝搬の可能な２種類の圧電基板67−1,67−
２の上に、電極64−1,64−2,64−3,64−4,64−5,64−６
などからなる１開口弾性表面波共振器４個と、電極パタ
ーン65−1,65−２からなるギャップ容量１個とを設けて
共振器複合型フィルタを形成し、電極64−２と65−１を
ボンディングワイヤ64−７により電気的に接続したもの
であることを示す。

【００１１】 ここで、61は入力端子、61′は入力側アース端子、62
は出力端子、62′は出力側アース端子、63−1,63−2,63
−3,63−４は外部回路との整合用インダクタンス、また
66−1,66−2,66−3,66−4,66−5,66−６は共振器から漏
洩した表面波を吸収するための吸音材料である。この場
合、圧電基板67−１の電気機械結合係数は圧電基板67−
２の同係数に比較して小さいという関係にある。ここ
で、各共振器は、多数対の互いに挿間した電極指からな
るインターディジタルトランスデューサで構成され、こ
れらのトランスデューサは、両側に反射器が存在しなく
ても、トランスデューサの電極指自身による内部反射で
振動エネルギーがトランスデューサ内に閉じ込められ、
１開口共振器となる。

【００１２】 また、１開口弾性表面波共振器（図2A）は、共通電極
79および70によって多数対トランスデューサを構成して
いる。図において77は圧電基板、78は入力端子、78′は
出力端子である。上記共振器の電気的等価回路は7B図で
与えられる。

【００１３】 ここで、71は等価インダクタンス、72は等価容量、73
は静電容量である。また、7C図は、7A図に示した共振器
のインピーダンス特性である。なお、f_rは共振周波数、
f_aは反共振周波数を表す。この表現を用いれば、図１の
フィルターは図３の等価回路、すなわち、入力側からみ
て従属接続された、等価インダクタンス71−１、等価容
量72−１、静電容量73−１からなるシリーズアーム共振
器および等価インダクタンス71−２、等価容量72−２、
静電容量73−２からなるシャントアーム共振器が、同様
に出力側からみて従属された、等価インダクタンス71−
4,等価容量72−４、静電容量73−４からなるシリーズア
ーム共振器および等価インダクタンス71−３、等価容量
72−３、静電容量73−３からなるシャントアーム共振器
とギャップ容量84を介して接続された構成の等価回路、
で与えられる。

【００１４】 図１の効果を示すために、図４の従来形の共振器複合
形フィルタと比較する。図４の構成においては、１つの
圧電基板上67に全共振器が形成されている。等価回路的
には、図１構成の場合と同じく、図３に示す等価回路で
表されているが、図１構成と図４構成とでは、それぞれ
の共振器の等価成分の値が、圧電基板の材料定数の違い
によって異なることになる。

【００１５】 ここで、図１構成のフィルタと図４構成のフィルタと
について、それらの周波数特性を計算機でシミュレート
した結果を図5A、図5Bに示す。ここでは、一例として、
欧州の一部で用いられている自動車電話の周波数配置
（800MHz帯）を想定した場合を示した。帯域幅BWと阻止
域と通過域の間隔Δf_Bで帯域仕様が定まっている。図5A
は図１の本発明構成によるフィルタの周波数特性、図5B
は図４の従来形の構成によるフィルタの周波数特性で、
この結果から、本発明構成のフィルタとすることによっ
て、極めて急峻な立上り、立下り周波数特性を持ち、か
つ、損失の少ないフィルタを実現できることがわかる。
従来形の構成のフィルタでは、仕様を満足し得る急峻な
立上り・立下り周波数特性は得られず、損失も、要求さ
れる通過帯域の中心部分では小さいが、その両側では仕
様を割る結果しか得られていない。

【００１６】 図5A、図5Bを比較すると、図5Aの低域側の極f₁,f₂、
高域側の極f₃,f₄に対応して図5Bにおいても低域側に
f₁′,f₂′、高域側にf₃′、f₄′が存在するが、大きな
相違点は、f₂＞f₂′、f₃＜f₃′となっている点である。
一般に、急峻な立上り・立下り周波数特性の実現は、通
過帯域に最も近い極（図5Aにおけるf₂,f₃、図5Bにおけ
るf₂′,f₃′）を通過帯域特性に影響を与えることな
く、どれだけ通過帯域に接近させ得るかによって決定さ
れる。図5Aと比較して、図5Bにおいては、f₂＞f₂′であ
るにもかかわらず、f₂′の影響により、通過帯域の低域
側の損失が増加しており、また、高域側でも、f₃＜f₃′
にかかわらず、同様に、f₃′の影響によって損失が増加
している。

【００１７】 次に、図5A、図5Bの特性の相違を、図１および図４の
フィルタ構成の相違と対比して説明する。図5Aの低域側
の通過帯域に近い極f₂は図１の67−１に形成された入力
側シャントアーム共振器（図３等価回路の71−２、72−
２、73−２に対応する）により形成される。すなわち、
シャントアーム共振器の共振周波数がf₂と一致する。ま
た、図5Aの高域側の通過帯域に近い極f₃は図１の67−１
に形成された入力側シリーズアーム共振器（図３の71−
１、72−１、73−１に対応）により形成される。すなわ
ち、シリーズアームの反共振周波数がf₃と一致する。同
様に、低域側および高域側の他の極f₁およびf₄は、それ
ぞれ、図１の67−２に形成された出力側のシャントアー
ム共振器およびシリーズアーム共振器の共振周波数およ
び反共振周波数と一致する。全く同等の関係が図5Bと図
４フィルタ構成との間でも成立ち、通過帯域に近い極
f₂′、f₃′は、それぞれ、図４の入力側シャントアーム
共振器およびシリーズアーム共振器の共振周波数および
反共振周波数に一致し、また、他の極f₁′、およびf₄′
は出力側のシャントアーム共振器およびシリーズアーム
共振器の共振周波数および反共振周波数と一致する。

【００１８】 以上の説明からわかるように、図１構成のフィルタと
図４構成のフィルタとの相違は、単一基板と複数基板の
構成の相違である。すなわち、図１の本発明構成のフィ
ルタの特徴は、複数の圧電基板を用いて所望のフィルタ
特性を合成することである。電気機械結合係数の小さい
圧電基板67−１と、同係数の大きい圧電基板67−２に形
成した１開口共振器をシャントアームに接続した場合の
特性を、それぞれ図7B、図7A、また、シリーズアームに
接続した場合の特性を図8B、図8Aに示す。共振器の共振
周波数frと反共振周波数faの周波数の間隔は電気機械結
合係数に関係しており、結合係数が小さい場合に周波数
間隔が狭い。したがって、図5Aの通過帯域近傍のf₂、f₃
の減衰極を形成するための共振器は急峻性が要求される
ので、狭帯域共振器が実現できる結合係数が小の圧電基
板を用いる。一方、結合係数が大の圧電基板上に形成し
た共振器の共振特性は広帯域であるため、減衰特性の面
で有利である。さらに、結合係数が大であるため、電気
信号から音響信号、あるいは音響信号から電気信号への
変換効率が高く低損失である。したがって、図5Aの通過
域から離れた、すなわち急峻性が特に要求されない領域
であるf₁、f₄の減衰域の形成には、結合係数が大の圧電
基板を用いる。以上に述べたように複数の圧電基板上に
形成した共振器でフィルタを構成することにより、急峻
な立上り・立下り特性と低損失、高減衰特性を実現する
ことができる。

【００１９】 シリーズアームおよびシャントアーム共振器の段数
は、フィルタの帯域幅、減衰量などの仕様に対応して異
なる。共振器数が増加した場合は、基板の種類を増加さ
せることにより、フィルタ設計を最適化することができ
る。

【００２０】 複数の圧電基板を用いる本発明の構成は、フィルタの
通過帯域および阻止帯域が所定の帯域幅を有し、かつ両
帯域間が狭い場合に効果が大きい。とくに、帯域幅と中
心周波数の比である比帯域幅が１％以上の場合、およ
び、帯域間隔と中心周波数の比が５％以上の場合におい
てより有効である。

【００２１】 圧電基板の電気機械結合係数（k²）は、圧電材料の種
類およびそのカット角と伝搬方向によって定まる値であ
る。現在知られている圧電材料とその結合係数の例とし
ては、LiNbO₃の41゜回転ＹカットＸ伝搬における約19
％、同64゜回転ＹカットＸ伝搬の約11.5％、LiTaO₃の36
゜回転ＹカットＸ伝搬における約7.6％、水晶STカット
のＸ伝搬における約0.16％などがある。フィルタが広帯
域特性の場合は、帯域合成に必要な共振器数が増大する
傾向にあるため、結合係数の大なる基板の組合せが適
し、また比較的狭帯域な特性の場合は、結合係数が小の
基板も使用が可能である。しかし、どの組合せにおいて
も、結合係数がより小さい基板を通過域近傍の特性合成
に用いることは同じである。通過域近傍の狭帯域共振器
を形成する圧電基板の、望ましい結合係数の範囲は0.1
〜10％である。また、通過域より離れた領域の広帯域共
振器を形成する圧電基板の望ましい結合係数の範囲は、
３％以上である。とくに、移動無線電話用フィルタのよ
うな比帯域幅が２％を越える広帯域特性の場合には、結
合係数は10％以上が望ましい。

【００２２】 圧電材料の温度係数は、材料に固有の値であるが、一
般に電気機械結合係数が小の材料は温度係数も小であ
る。例えば、前記のLiNbO₃基板では約50〜60ppm/℃、Li
TaO₃基板では約30ppm/℃、また水晶STカット基板は室温
で零温度係数を有する。一方、前記のように、本発明が
より有効となる通過帯域と阻止帯域の間隔の範囲は、中
心周波数との比で５％以下である。フィルタの使用温度
範囲を室温±50℃と仮定した場合、前記５％の範囲は、
温度係数が500ppm/℃の場合の周波数変動量に相当す
る。このことから、通過帯域近傍の共振器を形成する基
板の温度係数は、50ppm/℃以下が望ましい。通過帯域か
ら離れた領域の共振器を形成する基板では、比較的温度
係数の大なるものも許容されるが、80ppm/℃以下が望ま
しい値である。

【００２３】 複数の基板の構成法の一つは、図１のように、個別の
基板からフィルタ素子をチップ化し、キャン形パッケー
ジあるいはセラミックパッケージ、樹脂モールドパッケ
ージなどへ実装する方法である。また、図6A、図6B、図
6Cは１枚の基板上に、２種以上の電気機械結合係数の異
なる材料を形成した実施例である。図6Aは、一つの圧電
基板114の一部に、結合係数の異なる少なくとも１種以
上の圧電基板115を積層した場合である。図6Bは、シリ
コン、サファイア、ガラスなどの基板116の表面上に、
結合係数の異なる少なくとも２種以上の圧電材料を積層
した場合である。図6A、図6Bの積層法としては、チップ
を接着する方法と、高周波スパッタリングなどにより圧
電性薄膜を形成する方法があるが、いずれの方法でもフ
ィルタ特性上の効果は同じである。図6Cは、一つの圧電
基板の表面の一部にイオン打ち込み、あるいはイオン拡
散法により、結合係数の異なる領域を形成した場合であ
る。上記の基板上に弾性表面波共振器を形成し、図１と
同様に構成することにより、本発明を実施することがで
きる。

【００２４】 本発明の複数の弾性表面波共振器で構成したフィルタ
は、トランスサーバル形フィルタに比較して耐電力特性
に優れる。チップ形状が３×３（mm²）以下の微小チッ
プで、ワットオーダの出力電力に耐えることができ、出
力0.1W以上が要求される場合に、特に有利である。

【００２５】 本発明の弾性表面波素子を移動無線端末に用いること
により、端末の小型軽量化、低消費電力化が実現され
る。また、民生用、あるいは衛星用などの高周波フィル
タとして用いることにより、装置を小型、軽量化でき
る。

【００２６】 以上、好適実施例により説明してきたとおり、本発明
により、従来北米システム等にしか適用していなかった
弾性表面波装置を、欧州の一部の自動車電話システムの
ように送信および受信の各帯域間が非常に広く、かつ、
送受信帯域の間隔が非常に狭いシステムに対しても適用
可能となる。

【００２７】

【発明の効果】

本発明の１利点は、急峻なフィルタの立上り、立ち下
がり特性を有し、且つ低損失で、更に高減衰特性である
通信装置を実現することができることにある。

【図面の簡単な説明】

【図１】 図１は、本発明に係る弾性表面波素子を説明するための
図。

【図２】 図2A,図2B及び図2Cは、１開口共振器のそれぞれ構成、
等価回路及びインピーダンス特性を説明するための図。

【図３】 図３は、本発明の実施例に係る弾性表面波素子の等価回
路を説明するための図。

【図４】 図４は、従来の弾性表面波素子を説明するための図。

【図５】 図5A及び図5Bは、それぞれ本発明に係る弾性表面波素子
及び従来の弾性表面波素子の通過帯域特性を説明するた
めの図。

【図６】 図6A,図6B及び図6Cは、本発明にかかる弾性表面波素子
の製造方法の例を説明するための図。

【図７】 図7A及び図7Bは、シャントアーム接続した場合の１開口
共振器の周波数特性を説明するための図。

【図８】 図8A及び図8Bは、シリーズアーム接続した場合の１開口
共振器の周波数特性を説明するための図。

【符号の説明】

３……第１の弾性表面波素子、５……第２の弾性表面波
素子。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 柴垣 信彦 東京都国分寺市東恋ケ窪１丁目280番地 株式会社日立製作所中央研究所内 (72)発明者 平島 哲也 茨城県勝田市大字稲田1410番地 株式会 社日立製作所東海工場内 (56)参考文献 特開 昭61−70813（ＪＰ，Ａ) 特開 昭50−14253（ＪＰ，Ａ) 特開 昭59−169218（ＪＰ，Ａ) 特開 昭53−123051（ＪＰ，Ａ) 特開 平１−260911（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−132515（ＪＰ，Ａ) 実開 昭52−13762（ＪＰ，Ｕ) 実開 昭50−121635（ＪＰ，Ｕ)

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】第１の電気機械結合係数を有する第１の圧
   電基板上に設けられた第１の弾性表面波素子と、上記弾
   性表面波素子と電気的に接続され、上記第１の電気機械
   結合係数よりも小さい第２の電気機械結合係数を有する
   第２の圧電基板上に設けられた第２の弾性表面波素子と
   を有する受信フィルタを有し、 上記第２の弾性表面波素子の温度係数は50ppm/℃以下で
   あることを特徴とする通信装置。
2. 【請求項２】請求項１に記載の通信装置において、前記
   第１の圧電基板および第２の圧電基板は一体となって一
   つの基板を形成している通信装置。