JP3576367B2

JP3576367B2 - 弾性表面波フィルタ

Info

Publication number: JP3576367B2
Application number: JP01907998A
Authority: JP
Inventors: 直人猪瀬; ホクホアウー
Original assignee: Oki Electric Industry Co Ltd
Current assignee: Oki Electric Industry Co Ltd
Priority date: 1998-01-30
Filing date: 1998-01-30
Publication date: 2004-10-13
Anticipated expiration: 2018-01-30
Also published as: JPH11220353A; US6031435A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、１端子対弾性表面波共振子（以下、「ＳＡＷ共振子」という）を梯子型に接続して構成される弾性表面波フィルタに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、この種の弾性表面波フィルタに関する技術としては、例えば、次のような文献に記載されるものがあった。
文献１：電子情報通信学会論文誌、Ｊ７６−Ａ［２］（１９９３−２）Ｐ．２４５−２５２
文献２：電子情報通信学会論文誌、Ｊ７６−Ａ［２］（１９９３−２）Ｐ．２３６−２４４
図２（ａ），（ｂ）は、従来のＳＡＷ共振子の構造と等価回路を示す図である。
このＳＡＷ共振子１０は、弾性表面波を送受するためのすだれ状電極（以下、「ＩＤＴ」という）１１を有し、このＩＤＴ１１の両側に金属ストリップによるグレーティング反射器１２，１３が配置されている。このＳＡＷ共振子１０は、例えば、３６°Ｙ−Ｘ・ＬｉＴａＯ_３単結晶基板（以下、「ＬＴ基板」という）上に、Ａｌ薄膜からなるＩＤＴ１１及び反射器１２，１３が蒸着されて形成されている。
ＳＡＷ共振子１０は、直列接続されたリアクタンスＬ及びキャパシタンスＣ１と、キャパシタンスＣ２とが並列接続された等価回路で表される。
【０００３】
図３（ａ），（ｂ）は、前記文献１に記載された図２のＳＡＷ共振子１０を用いた１段の定Ｋ型フィルタの原理を説明する図であり、同図（ａ）は構成図、及び同図（ｂ）は特性図である。
この１段の定Ｋ型フィルタは、図２のＳＡＷ共振子１０を用いて直列腕共振子２０及び並列腕共振子３０を構成し、これらを梯子型に接続して、該直列腕共振子２０によって高域の減衰極を形成し、並列腕共振子３０によって低域の減衰極を形成して帯域フィルタにしたものである。このように構成することにより、定Ｋ型フィルタの理論から、直列腕共振子２０の共振周波数と並列腕共振子３０の反共振周波数を一致させることによって帯域フィルタを実現できる。
図４（ａ），（ｂ）は、前記文献２に記載された図２のＳＡＷ共振子１０を用いた多段（例えば、４段）の定Ｋ型フィルタの原理を説明する図であり、同図（ａ）は構成図、及び同図（ｂ）は特性図である。
通常、図３に示すような１段の定Ｋ型フィルタでは減衰量が不十分なため、梯子型を多段（例えば、４段）に接続している。このような多段接続の場合、通常は同じ段を重ねてゆくため、直列腕共振子２０_１〜２０_４及び並列腕共振子３０_１〜３０_４共に各共振子の共振周波数を全て同一にしている。なお、小型化のために隣接する直列腕共振子２０_２と２０_３同士、あるいは並列腕共振子３０_１と３０_２、３０_３と３０_４同士を回路網的に合成し、同一の周波数ではあるが異なる共振子に置換えている場合もある。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の定Ｋ型フィルタである梯子型弾性表面波フィルタでは、次の（１）〜（３）のような問題点があり、これらを解決することが困難であった。
（１）従来の梯子型弾性表面波フィルタの場合、通常は図３（ａ）に示す１段では減衰量が不十分なため、図４（ａ）に示すように、梯子型を多段に接続している。このため、各直列腕共振子２０_１〜２０_４の共振周波数を同一にすると共に、各並列腕共振子３０_１〜３０_４の共振周波数を同一にしている。この結果、図４（ｂ）に示すように、直列腕共振子２０_１〜２０_４の反共振によって作り出される減衰極の周波数も同じなので、同一周波数で減衰極が重なり、狭い周波数帯域では十分な減衰量が得られるものの、この減衰量において帯域幅を確保するのが難しく、広い帯域では十分な減衰が得られない。このため、広い帯域に渡って十分な減衰を得るためには、多くの段数を縦続に接続しなければならず、この結果、通過域での損失が増えてしまうという問題点があった。
また、多段接続しないで広帯域に渡って十分な減衰を得るために、直列腕共振子２０_１〜２０_４の制動容量を減らすか、あるいは並列腕共振子３０_１〜３０_４の制動容量を増やして共振子のＱを下げる方法があるが、このような方法を採用すると、通過域での損失も増えてしまうという問題点があった。
【０００５】
（２）図５（ａ），（ｂ）は、図４の定Ｋ型フィルタに減衰極を追加した多段（例えば、４段）の定Ｋ型フィルタの原理を説明する図であり、同図（ａ）は構成図、及び同図（ｂ）は特性図である。
減衰域が通過域より高い周波数に設定されている場合、図５（ａ）に示すように、減衰量をかせぐために直列に異なった周波数の減衰極２１を挿入する方法もある。しかし、このような方法を採用した場合、図５（ｂ）に示すように、通過域での損失が増えてしまい、かつ、素子数も増え、チップサイズも大きくなってしまうという問題点があった。
（３）前記文献２に記載された直列腕共振子だけで構成した帯域阻止型フィルタの場合、全ての直列腕共振子の共振周波数を変えている。このようなフィルタでは、通過域で各直列腕共振子の制動容量が全て直列に接続されてしまう。このため、合成された制動容量が非常に小さくなってしまい、各直列腕共振子の対数、交差長を非常に大きくしないと、通過域での挿入損失が増えてしまい、チップサイズが大きく、また通過域の低域で挿入損失が増えて（即ち、通過域が傾く）しまうという問題点があった。
本発明は、前記従来技術が持っていた課題を解決し、広い帯域に渡って所望の減衰量が得られる弾性表面波フィルタを提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決するために、本発明の弾性表面波フィルタでは、すだれ状電極が所定の電極間ピッチ（以下単に「電極ピッチ」という）で形成された１端子対弾性表面波共振子によってそれぞれ構成される直列腕共振子及び並列腕共振子を複数段、入力端子と出力端子との間に梯子型に縦続接続した定Ｋ型フィルタであって、前記各段の並列腕共振子は、同一の反共振周波数をそれぞれ有している。更に、前記入力端子側の前記１段目の直列腕共振子における共振周波数は、前記各段の並列腕共振子における前記反共振周波数に等しく、前記直列腕共振子の２段目以降における各直列腕共振子の電極ピッチは、前記直列腕共振子における前記出力端子側の後段に行くに従って狭くなっている。
このような構成を採用したことにより、初段における直列腕共振器及び並列腕共振器は定Ｋ型フィルタを構成し、２段目以降の直列腕共振器及び並列腕共振器は、前記の定Ｋ型フィルタよりも高帯域側に広い減衰帯域を有する梯子型フィルタを構成する。そのため、２段目以降の直列腕共振子の共振周波数が後段に行くに従って高い周波数にシフトされ、その結果、直列腕共振子によって形成される減衰極の周波数が異なり、広い帯域に渡って所望の減衰量が得られる。
【０００７】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の実施形態を示す４段構成の弾性表面波フィルタの構成図である。
この弾性表面波フィルタは、１段目〜４段目の直列腕共振子４０_１〜４０_４と、１段目〜４段目の並列腕共振子５０_１〜５０_４とで構成されている。各共振子４０_１〜４０_４，５０_１〜５０_４は、従来の図２と同様に、圧電基板あるいは強誘電体単結晶基板（例えば、ＬＴ基板）上に形成されたＳＡＷ共振子で構成されており、弾性表面波を送受するためのＩＤＴ１１の両側に、金属ストリップによるグレーティング反射器１２，１３を配置した構成になっている。ＩＤＴ１１及び反射器１２，１３は、Ａｌ薄膜あるいはＡｌ合金薄膜等で形成されている。
本実施形態の特徴は、梯型弾性表面波フィルタにおいて、直列腕共振子４０_１〜４０_４の電極ピッチ（即ち、ＩＤＴ１１のすだれ状電極間のピッチ、及び反射器１２，１３の電極間のピッチ）を後段に行くに従って徐々に狭くすることにより、広い帯域に渡り所望の減衰量を得るようにしたことである。
【０００８】
図６（ａ）〜（ｅ）は、図１の弾性表面波フィルタの製造方法の一例を示す製造工程図である。
図１の弾性表面波フィルタを製造する場合、例えば、図６（ａ）において、ＬＴ基板６０上のパターンを形成する面に、レジスト６１をスピンコート等で塗布する。図６（ｂ）の露光工程では、光学マスク６２を用い、光６３によって弾性表面波フィルタのパターンをレジスト６１上に転写する。図６（ｃ）のレジストパターン形成工程において、現像によって不要なレジスト６１を除去し、レジストパターン６１ａを形成する。
レジストパターン形成後、図６（ｄ）において、電極となるＡｌまたはＡｌ合金の薄膜６４を全面に蒸着した後、図６（ｅ）において、リフトオフ法を用い、有機溶剤で不要な薄膜６４をレジストパターン６１ａと一緒に除去する。これにより、図２のＩＤＴ１１及び反射器１２，１３をそれぞれ構成する電極６４ａが形成される。
【０００９】
このようにして製造された弾性表面波フィルタの動作を説明する。
直列腕共振子４０_１〜４０_４の共振周波数をｆ１_ｒｓ〜ｆ４_ｒｓ、反共振周波数をｆ１_ａｓ〜ｆ４_ａｓとし、さらに並列腕共振子５０_１〜５０_４の共振周波数をｆ１_ｒｐ〜ｆ４_ｒｐ、反共振周波数をｆ１_ａｐ〜ｆ４_ａｐとすると、これらを本実施形態では次のように設定している。
ｆ１_ｒｓ＝ｆ１_ａｐ、ｆ２_ｒｓ＞ｆ２_ａｐ、ｆ３_ｒｓ＞ｆ３_ａｐ、ｆ４_ｒｓ＞ｆ４_ａｐ
ｆ４_ｒｓ＞ｆ３_ｒｓ＞ｆ２_ｒｓ＞ｆ１_ｒｓ
ｆ４_ｒｐ＝ｆ３_ｒｐ＝ｆ２_ｒｐ＝ｆ１_ｒｐ
ｆ４_ａｐ＝ｆ３_ａｐ＝ｆ２_ａｐ＝ｆ１_ａｐ
例えば、直列腕共振子４０_１〜４０_４の共振周波数ｆ１_ｒｓ〜ｆ４_ｒｓの関係ｆ４_ｒｓ＞ｆ３_ｒｓ＞ｆ２_ｒｓ＞ｆ１_ｒｓにおいて、例えば、次のように設定される。
ｆ２_ｒｓ＝ｆ１_ｒｓ＋（減衰帯域×０．６／３）×１
ｆ３_ｒｓ＝ｆ１_ｒｓ＋（減衰帯域×０．６／３）×２
ｆ４_ｒｓ＝ｆ１_ｒｓ＋（減衰帯域×０．６／３）×３
また、各並列腕共振子５０_１〜５０_４の共振周波数ｆ１_ｒｐ〜ｆ４_ｒｐは、ｆ４_ｒｐ＝ｆ３_ｒｐ＝ｆ２_ｒｐ＝ｆ１_ｒｐ、つまり１段目の直列腕共振子４０ _１の共振周波数ｆ１_ｒｓと定Ｋ型フィルタとなるように設定されている。
【００１０】
本実施形態の弾性表面波フィルタにおいて、１段目は直列腕共振子４０_１の共振周波数ｆ１_ｒｓと並列腕共振子５０_１の反共振周波数ｆ１_ａｓが等しく、後段になるに従って直列腕共振子４０_２〜４０_４の共振周波数ｆ２_ｒｓ〜ｆ４_ｒｓが並列腕共振子５０_２〜５０_４の反共振周波数ｆ２_ａｐ〜ｆ４_ａｐよりも高くなる。つまり、１段目は定Ｋ型構成であるが、２段目以降は定Ｋ型構成よりも高周波側に広い帯域を持った梯子型フィルタとなる。
このため、１段目側から入力された信号は、所定の周波数帯域のみが図１の弾性表面波フィルタを通過するが、このフィルタ全体では、帯域幅の異なるフィルタが１段目から４段目までの縦続接続になるので、直列腕共振子４０_１〜４０_４の異なった周波数の減衰極が合成されることになり、段数を増やさなくても、高域側に減衰域が広くなる。なお、
ｆ２_ｒｓ≠ｆ２_ａｐ、ｆ３_ｒｓ≠ｆ３_ａｐ、ｆ４_ｒｓ≠ｆ４_ａｐ
であるため、定Ｋ型フィルタの条件からずれて通過域で挿入損失が若干増加するが、各段の周波数シフトは少しずつであり、段数を増すよりは通過域での損失の劣化が少ない。
【００１１】
図７は図１の弾性表面波フィルタの特性を示す図、及び図８はこの図１に対応する従来の弾性表面波フィルタの特性を示す図である。
本実施形態の弾性表面波フィルタでは、例えば図７に示すように、ＬＴ基板上で４段構成で減衰域の幅（即ち、減衰帯域幅）が比帯域域（＝減衰帯域幅／通過帯域中心周波数）２．８４％の場合、２段目、３段目、４段目の直列腕共振子４０_２〜４０_４はそれぞれ比帯域域０．５７％シフトすると、所望の帯域幅の減衰域が取れる。また、図８に示すように、減衰量をかせぐため、従来のように直列に異なった周波数の減衰極を挿入する場合と比較して、トータルで約１０％程度の通過域の改善効果がみられる。
【００１２】
以上のように、本実施形態では、ＳＡＷ共振子を梯子型に接続した弾性表面波フィルタにおいて、２段目以降の直列腕共振子４０_２〜４０_４の電極ピッチを後段に行くに従って狭くしたため、直列腕共振子４０_１〜４０_４によって形成される減衰極の周波数が異なり、広い帯域に渡って減衰が得られる。このため、次の（１）〜（６）のような効果がある。
（１）多段構成にする必要がなく、結果として、低損失の弾性表面波フィルタの実現が可能となる。
（２）減衰極が広帯域化されるために、従来の図５のような最終段に直列に減衰極２１を挿入する必要がないので、チップサイズが小さくなる。
（３）直列腕共振子４０_１〜４０_４の電極ピッチを後段に行くに従って狭くしたため、各直列腕共振子４０_１〜４０_４が同じ対数、同じ交差長の共振子であっても、不要な他の振動モードや縦モード、横モード等のスプリアスモードの周波数が各直列腕共振子４０_１〜４０_４毎に異なり、これらの通過域、減衰域への影響が小さくなる。
（４）前記文献２と同様の帯域阻止型フィルタの場合と比較して、共振子の対数、交差長を大きくする必要がないので、チップサイズが小さくなる。
（５）前記文献２と同様の帯域阻止型フィルタの場合と比較して、通過域の低域側での挿入損失の増加（即ち、通過域が傾く）が小さくなる。
（６）特別に複雑な製造工程を必要としないので、この製造工程で従来技術と同じ設備がそのまま利用できる。
【００１３】
なお、本発明は上記実施形態に限定されず、種々の変形が可能である。この変形例としては、例えば、次の（ｉ），（ｉｉ）のようなものがある。
（ｉ）実施形態では４段構成の弾性表面波フィルタについて説明したが、４段以外のフィルタでも、（減衰帯域幅×０．６）／段数ずつシフトするよう、各直列腕共振子の電極ピッチを決めると、所望の減衰域が得られる。
（ｉｉ）実施形態では、弾性表面波フィルタをＬＴ基板（３６°Ｙ−Ｘ・ＬｉＴａＯ_３）上に形成したが、この弾性表面波フィルタを他の圧電基板あるいは強誘電体単結晶基板（例えば、６４°Ｙ−Ｘ・ＬｉＮｂＯ_３、４１°Ｙ−Ｘ・ＬｉＮｂＯ_３、１２８°Ｙ−Ｘ・ＬｉＮｂＯ_３もしくはＹｃｕｔ−Ｚ・ＬｉＮｂＯ_３等）上に形成しても、上記実施形態と同様の作用、効果が得られる。また、各共振子４０_１〜４０_４，５０_１〜５０_４を構成するＳＡＷ共振子は、図２以外の構造にしてもよい。
【００１４】
【発明の効果】
以上詳細に説明したように、本発明では、前記各段の並列腕共振子は、同一の反共振周波数をそれぞれ有し、前記入力端子側の前記１段目の直列腕共振子における共振周波数は、前記各段の並列腕共振子における前記反共振周波数に等しく、前記２段目以降の各直列腕共振子の電極ピッチは、前記出力端子側の後段に行くに従って狭くなっている。
そのため、初段における直列腕共振器及び並列腕共振器は定Ｋ型フィルタを構成し、２段目以降の直列腕共振器及び並列腕共振器は、前記の定Ｋ型フィルタよりも高帯域側に広い減衰帯域を有する梯子型フィルタを構成することになる。それ故、各段における直列腕共振器及び並列腕共振器による減衰極が発生する周波数位置も異なることになる。その結果、弾性表面波フィルタにおいて、直列腕共振器及び並列腕共振器によって構成されるフィルタ段の数を増加させずに、高帯域側において広い減衰帯域を実現することができる。つまり、弾性表面波フィルタの面積増大を抑制しながら、より広い減衰帯域を有する弾性表面波フィルタを実現することが可能となる。
このように本発明では、フィルタ段の数を増加させる必要がないので、低損失のフィルタの実現が可能となり、減衰域が広帯域化されるので、チップサイズが小さくなる。さらに、各直列腕共振子が同じ対数、同じ交差長の共振子であっても、不要な他の振動モードや縦モード、横モード等のスプリアスモードの周波数が直列腕共振子毎に異なり、これらの通過域、減衰域への影響が小さくなる。しかも、従来の帯域阻止型フィルタの場合に比べて、共振子の対数、交差長を大きくする必要がないので、チップサイズが小さくなると共に、通過域の低域での挿入損失の増加が小さくなる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態を示す弾性表面波フィルタの構成図である。
【図２】従来のＳＡＷ共振子の構造と等価回路を示す図である。
【図３】図２のＳＡＷ共振子を用いた１段の定Ｋ型フィルタの原理説明図である。
【図４】図２のＳＡＷ共振子を用いた多段の定Ｋ型フィルタの原理説明図である。
【図５】図４のフィルタに減衰極を追加した多段の定Ｋ型フィルタの原理説明図である。
【図６】図１の弾性表面波フィルタの製造方法を示す製造工程図である。
【図７】図１の弾性表面波フィルタの特性を示す図である。
【図８】図１の弾性表面波フィルタに対応する従来のフィルタの特性を示す図である。
【符号の説明】
１１ＩＤＴ
１２，１３グレーティング反射器
４０_１〜４０_４直列腕共振子
５０_１〜５０_４並列腕共振子

Claims

すだれ状電極が所定の電極間ピッチで形成された１端子対弾性表面波共振子によってそれぞれ構成される直列腕共振子及び並列腕共振子を複数段、入力端子と出力端子との間に梯子型に縦続接続した定Ｋ型フィルタであって、
前記各段の並列腕共振子は、同一の反共振周波数をそれぞれ有し、
前記入力端子側の前記１段目の直列腕共振子における共振周波数は、前記各段の並列腕共振子における前記反共振周波数に等しく、
前記直列腕共振子の２段目以降における各直列腕共振子の電極間ピッチは、前記直列腕共振子における前記出力端子側の後段に行くに従って狭くなっていることを特徴とする弾性表面波フィルタ。
請求項１記載の弾性表面波フィルタにおいて、
前記複数段の直列腕共振子及び前記複数段の並列腕共振子は、圧電基板または強誘電体単結晶基板の上に形成されていることを特徴とする弾性表面波フィルタ。
請求項１または２記載の弾性表面波フィルタにおいて、
前記複数段の直列腕共振子及び前記複数段の並列腕共振子は、３６°Ｙ−Ｘ・ＬｉＴａＯ _３、６４°Ｙ−Ｘ・ＬｉＮｂＯ _３、４１°Ｙ−Ｘ・ＬｉＮｂＯ _３、１２８°Ｙ−Ｘ・ＬｉＮｂＯ _３もしくはＹｃｕｔ−Ｚ・ＬｉＮｂＯ _３単結晶基板のいずれかの上に形成されていることを特徴とする弾性表面波フィルタ。