JP3784146B2 - 弾性表面波フィルタ - Google Patents
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【発明の属する技術分野】
本発明は、移動体通信機器等に用いられる弾性表面波フィルタであって、複数の弾性表面波共振子を対称格子状に配設した不平衡入力−平衡出力型あるいは平衡入力−不平衡出力型の弾性表面波フィルタに関する。
【0002】
【従来の技術】
従来の弾性表面波(Surface Acoustic Wave で、以下、SAWと略す)共振子の基本構成の平面図を図6に示す。同図において、4は一対の櫛歯状電極(Inter Digital Transducerで、以下、IDT電極という)であり、IDT電極4のSAW伝搬路上の両端にはSAWを効率良く共振させるための反射器5が配置される。IDT電極4及び反射器5は、例えば36°Yカット−X伝搬のタンタル酸リチウム単結晶等からなる圧電基板上に、フォトリソグラフィ法、蒸着法等によりAl等のパターンを形成して作製される。尚、IDT電極4の電極指の対数は数10〜数100対にも及ぶため、同図では簡略化して描いてある。
【0003】
近年、電波を利用する電子機器用の帯域通過フィルタ等の周波数フィルタ(以下、フィルタという)、遅延線、発振器等用の電子部品として、多くのSAW共振子やSAWフィルタが用いられている。特に小型・軽量でかつフィルタとしての急峻遮断性能が高いSAWフィルタは、移動体通信分野において、携帯電話等の携帯端末装置のRF(Radio Frequency :無線周波数あるいは高周波)段及びIF(Intermediate Frequency :中間周波数)段のフィルタとして多用されてきており、通過帯域端部近傍を含めた通過帯域外減衰量が大きく通過帯域内で低損失の特性を有するSAWフィルタに対する要望が強い。
【0004】
また、移動体通信機器等の小型・軽量化及び低コスト化のための使用部品の削減により、SAWフィルタに新たな機能の付加が要求されてきている。その一つに、RF段等とIF段等との段間に使用されるSAWフィルタに対して、不平衡入力−平衡出力型あるいは平衡入力−不平衡出力型に構成できるようにとの要求がある。
【0005】
従来のSAWフィルタは、一般的に不平衡入力−不平衡出力型であるため、SAWフィルタ後段の回路や電子部品が平衡入力型となっている場合は、SAWフィルタと後段との間に、バラン回路等の不平衡−平衡変換器を挿入した回路構成を採っていた。同様に、SAWフィルタ前段の回路や電子部品が平衡出力型となっている場合は、前段とSAWフィルタとの間に平衡−不平衡変換器を挿入した回路構成となっていた。
【0006】
現在、不平衡−平衡変換器あるいは平衡−不平衡変換器を削除するために、SAWフィルタに平衡−不平衡変換器機能あるいは不平衡−平衡変換器機能を持たせた、不平衡入力−平衡出力型SAWフィルタあるいは平衡入力−不平衡出力型SAWフィルタ(以下、平衡型SAWフィルタと略す)の実用化が進められている。
【0007】
また、移動体通信機器用のフィルタは、携帯端末装置の小型化、低電力化のために低損失であるのが望ましい。その上、受信用及び送信用として用いられる共用フィルタには、受信帯域と送信帯域のそれぞれの帯域外に抑止帯域(あるいは阻止帯域)があり、通過帯域端部近傍から広い範囲に渡って高減衰であることが強く要求されている。更に、移動体通信システムによっては局所的に特定の周波数領域のみかなり大きい減衰量が要求される場合がある。
【0008】
このようななかで、SAW共振子からなる4個のインピーダンス素子を対称格子状に配置した格子型SAWフィルタが期待されており、これは、共振周波数の異なる2種類のSAW共振子を2個ずつの計4個でブリッジ回路を構成したものであり、平衡型SAWフィルタを実現できると共に通過帯域内において低損失となる。
【0009】
上記格子型SAWフィルタの従来例として、一方のSAW共振子と他方のSAW共振子のIDT電極の容量差を±5%以内に設定することにより、通過帯域外の広い周波数範囲で高い減衰量を得るものが提案されている(特開平8−65099号公報参照)。
【0010】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の格子型SAWフィルタは、図5のフィルタ特性のグラフに示すように、通過帯域(800〜850MHz程度)から離れるに従い高減衰であるが、通過帯域端部近傍の減衰量を大きくとることができず、通過帯域と通過帯域外との遮断特性が悪いという問題がある。また、通過帯域から離れた特定の周波数領域を大きく減衰させることができないという問題もある。
【0011】
従って、本発明は上記事情に鑑みて完成されたものであり、その目的は通過帯域端部近傍に高減衰域(高減衰極)を有し、また通過帯域端部近傍に高減衰域(高減衰極)を有すると共に所望の周波数領域で大きな減衰量が得られるものとすることを目的とする。
【0012】
【課題を解決するための手段】
本発明のSAWフィルタは、同一の圧電基板上で、少なくとも一対の櫛歯状電極を有する複数の弾性表面波共振子を対称格子状に接続して成る弾性表面波フィルタであって、前記複数の弾性表面波共振子はT×K(T:櫛歯状電極の電極指の対数、K:電極指の交差幅)および共振周波数が異なる2種のものからなり、共振周波数の高い方の第1種の弾性表面波共振子をT1×K1、共振周波数の低い方の第2種の弾性表面波共振子をT2×K2とした場合、(T1×K1)/(T2×K2)≧1.2であることを特徴とし、通過帯域端部近傍に高減衰域(高減衰極)を設定することができる。
【0013】
また、本発明のSAWフィルタは、上記弾性表面波フィルタを用い、前記弾性表面波フィルタを弾性表面波フィルタAとし、(T1 ×K1 )/(T2 ×K2 )>1のものを弾性表面波フィルタBとし、弾性表面波フィルタAと弾性表面波フィルタBとが多段接続されている特徴とし、これにより、通過帯域端部近傍に高減衰域(高減衰極)を設定できると共に、通過帯域から離れた周波数領域でも大きな減衰量が得られる。
【0014】
更に、本発明において好ましくは、圧電基板が36°Yカット−X伝搬のタンタル酸リチウム単結晶からなり、R=(T1×K1)/(T2×K2)とした場合に前記Rは、
R=−1.1/{100×(fL−f0)/f0+A}+B
R=1.4/{100×(fH−f0)/f0−A}+B
2.8≦A≦5.2
0.98≦B<1.00
(f0:フィルタの中心周波数、fL:低周波側の減衰極の周波数、fH:高周波側の減衰極の周波数)で決定される。
【0015】
【発明の実施の形態】
本発明のSAWフィルタFを図1〜図4に示す。また、以下、簡単のためT×K=Sと表す。図1(a)は、一対のIDT電極を有する4個のSAW共振子3a,3a,3b,3bを対称格子状に接続して成り、対称位置にある第1種のSAW共振子3b,3bのSをS1 =T1 ×K1 、同様に対称位置にある第2種のSAW共振子3a,3aのSをS2 =T2 ×K2 とした場合、S1 /S2 ≧1.2であるSAWフィルタを2段接続したものである。勿論、同図において、1段のみであってもよい。
【0016】
また、同図(b)は(a)のもののフィルタ特性のグラフであり、通過帯域端部近傍に減衰極が生じる。
【0017】
図2(a)は、4個のSAW共振子3a,3a,3b,3bを対称格子状に接続して成り、第1種のSAW共振子3b,3bのSをS1 =T1 ×K1 、第2種のSAW共振子3a,3aのSをS2 =T2 ×K2 とした場合、S1 /S2 ≧1.2であるSAWフィルタAを前段とし、4個のSAW共振子3c,3c,3d,3dを対称格子状に接続して成り、第1種のSAW共振子3d,3dのSをS12=T12×K12(S1 をS12に、T1 をT12に、K1 をK12に置き換える)、第2種のSAW共振子3c,3cのSをS22=T22×K22(S2 をS22に、T2 をT22に、K2 をK22に置き換える)とした場合、S12/S22>1であるSAWフィルタBを後段として、SAWフィルタAとSAWフィルタBとを2段接続(縦続接続)したものである。勿論、同図において、SAWフィルタAとSAWフィルタBを入れ換えたり、これらのいずれかをより多段接続してもよい。
【0018】
また、同図(b)は(a)のもののフィルタ特性のグラフであり、通過帯域端部近傍と通過帯域から離れた周波数領域に減衰極が設定できる。
【0019】
更に、同図において、SAWフィルタBのS12/S22の値を種々に設定したものを多段接続して、より多くの減衰極を任意の周波数領域に設定することもできる。
【0020】
またこの場合、1<S12/S22<1.2とすることにより、SAWフィルタBによって生じる減衰極とSAWフィルタAにより生じる減衰極が重複せずに、SAWフィルタAは通過帯域に近い周波数領域に、SAWフィルタBは通過帯域にから離れた周波数領域にそれぞれ減衰極を設定できる。
【0021】
尚、図1,図2において、1a,1bは2つの入力端子、2a,2bは2つの出力端子である。
【0022】
ここで、上記TはIDT電極の電極指の対数、Kは電極指の交差幅であり、S=T×KはSAW共振子の等価電気容量に比例するものである。前記等価電気容量は、図4に示すSAW共振子の等価回路のC0 に相当する。また、等価電気容量C0 は圧電基板の誘電率にもよるが、同一の圧電基板においてはT,Kによって決定される。更に、Sの値が大きい方が等価電気容量が大きく、また電極指のピッチを小さくすることにより共振周波数を高くしている。
【0023】
一般に、一つのSAW共振子は、インピーダンスが極小値となる共振周波数とインピーダンスが極大値となる反共振周波数を有する。そして、本発明は基本的に、共振周波数の異なる2種類のSAW共振子を各2個ずつの計4個を、2つの入力端子と2つの出力端子との間に対称格子状(ブリッジ型)に配設してなる構造を有する。
【0024】
この構成において、図3に示すように、原理的にはS1 /S2 =1のとき低周波側の減衰極は0Hzで高周波側の減衰極は無限大の周波数位置に発生する。そして、S1 /S2 が1より大きくなるに従い、低周波側の減衰極は高周波側に移動し、共振周波数が低い方のSAW共振子の共振周波数に近づいていく。同時に、高周波側の減衰極は低周波側に移動し、共振周波数が高い方のSAW共振子の反共振周波数に近づいていく。
【0025】
図3(a)は、圧電基板が36°Yカット−X伝搬のタンタル酸リチウム単結晶の場合に、S1 /S2 (横軸)と(fL −f0 )/f0 ×100(縦軸)との関係を表したグラフで、S1 /S2 >1で1の近傍のときに(fL −f0 )/f0 ×100=−40.0、f0 =800MHzとして、fL ≒440MHzとなり、S1 /S2 ≧1.2とすると通過帯域端部近傍に減衰極を設定できることが判る。
【0026】
同様に、(b)は圧電基板が36°Yカット−X伝搬のタンタル酸リチウム単結晶の場合に、S1 /S2 (横軸)と(fH −f0 )/f0 ×100(縦軸)との関係を表したグラフで、S1 /S2 >1で1の近傍のときに(fH −f0 )/f0 ×100=50.0、f0 =800MHzでfH ≒1200MHzとなり、S1 /S2 ≧1.2とすると通過帯域端部近傍に減衰極を設定できることが判る。
【0027】
また、S1 /S2 ≧1.2とすることにより、低周波側の減衰極及び高周波側の減衰極を、中心周波数からそれぞれ約10%以内離れたところに設けることができ、移動体通信用として要求される急峻な遮断特性を得ることができる。また、S1 /S2 ≧1.2の領域では、S1 /S2 =1.2を変曲点としてS1 /S2 の変化に対し減衰極位置の変化が緩やかになるため、減衰極位置の制御がし易く、その結果所望の周波数で減衰極を有するフィルタを安定的に製造することができるという効果もある。
【0028】
同図におけるS1/S2のグラフは実験的に得られたものであり、R=S1/S2とすると、(a)において、R=−1.1/{100×(fL−f0)/f0+4}+0.98(A=4,B=0.98)と表され、(b)において、R=1.4/{100×(fH−f0)/f0−4}+0.98(A=4,B=0.98)と表される。
【0029】
上記式において、2.8≦A≦5.2(4.0±1.2)であり、この範囲外では減衰極の位置が中心値の4.0%から1.2%(f0 =836MHzでは10MHz程度に相当)以上ずれることになり、遮断特性が劣化したり通過帯域が狭くなりすぎる。好ましくは、3.8≦A≦4.2(4.0±0.2)である。また、0.98≦B<1.00(0.99±0.01)であり、1.00以上では低周波側の減衰極は0Hz、高周波側の減衰極は無限大の周波数位置に発生することになり、0.98未満では中心値の0.99に対して圧電基板材料及びIDT電極等のパターン作製バラツキ等によるRのバラツキへの影響が大きくなり、その結果遮断特性が劣化する等の問題が生ずる。
【0030】
本発明のSAWフィルタFが主に使用される移動体通信機器における、RFフィルタの通過帯域幅は中心周波数(800〜900MHz)の1%〜5%(比帯域幅)である。これを実現するための圧電基板は、2%以上の電気機械結合係数を有することが望ましい。具体的には、36°Yカット−X伝搬タンタル酸リチウム単結晶,64°Yカット−X伝搬ニオブ酸リチウム単結晶,41°Yカット−X伝搬ニオブ酸リチウム単結晶等を挙げることができる。特に36°Yカット−X伝搬タンタル酸リチウム単結晶は温度特性等が良好であり有用である。
【0031】
本発明において、一つのSAWフィルタFに使用されるSAW共振子は4個に限定されず、5個以上設けても構わない。この場合、ブリッジの対称位置において同数とするのがよい。
【0032】
かくして、本発明は、通過帯域端部近傍に高減衰極を有し、また通過帯域端部近傍に高減衰極を有すると共に所望の周波数領域で大きな減衰量が得られるという作用効果を有する。
【0033】
尚、本発明は上記の実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々の変更は何ら差し支えない。
【0034】
【実施例】
本発明の実施例を以下に説明する。
【0035】
(実施例1)
図1のSAWフィルタFを以下のように構成した。共振周波数の高い方のSAW共振子3b,3bの共振周波数を、共振周波数の低い方のSAW共振子3a,3aの反共振周波数にほぼ一致させることにより、平坦な通過帯域特性が得られる。本実施例では、第1種のSAW共振子3b,3b同士、又は第2種のSAW共振子3a,3a同士ではそれぞれ同じものを用いたが、所望の特性により、第1種又は第2種の各々のグループにおいて、個々の共振周波数を微妙にずらすことも可能である。
【0036】
そして、SAW共振子3b,3bにおいて、T1 =94対、K1 =80μm、S1 =7520、(等価電気容量)=3.00pFとし、SAW共振子3a,3aにおいて、T2 =94対、K2 =60μm、S2 =5640、(等価電気容量)=2.26pFとし、S1 /S2 =1.33とした。
【0037】
上記構成により、図1(b)に示すような良好な通過帯域端部近傍の遮断特性が得られ、通過帯域の中心周波数約815MHz、比帯域幅約4%、通過帯域における損失約2dB、減衰極での減衰量約50dBが得られた。
【0038】
また、SAWフィルタFの作製方法について以下に説明する。
【0039】
36°Yカット−X伝搬タンタル酸リチウム単結晶からなる圧電基板の一主面に、Al,Al合金の金属薄膜を蒸着法、スパッタリング法等の薄膜形成法を用いて成膜する。その後、フォトレジストを金属薄膜上に塗布し、IDT電極等のパターンを形成するためのフォトマスクを用いて紫外光等により露光を行う。次に、圧電基板を現像液に浸漬しフォトレジストのパターニングを行い、フォトレジストをマスクとしてウエットエッチング法又ドライエッチング法により金属薄膜をパターニングし、SAWフィルタFを作製する。尚、本実施例は金属薄膜のエッチングによる電極形成法であるが、リフトオフ法によっても同様に作製できる。
【0040】
(実施例2)
図2のものを以下のように構成した。SAWフィルタAは図1のものと同じであり、SAWフィルタBについて、SAW共振子3d,3dにおいて、T12=94対、K12=80μm、S12=7520、(等価電気容量)=3.00pFとし、SAW共振子3c,3cにおいて、T22=94対、K22=79μm、S22=7426、(等価電気容量)=2.97pFとし、S12/S22=1.01とした。
【0041】
上記構成により、図2(b)に示すように、通過帯域端部近傍の良好な遮断特性と、通過帯域から離れた低周波側及び高周波側での更なる減衰極とが得られ、特に高周波側の1.2〜1.3GHzで良好な減衰特性(減衰量50dB以上)となった。また、通過帯域の中心周波数約815MHz、比帯域幅約4%、通過帯域における損失約2dBであった。
【0042】
本発明は、共振周波数の高い方の第1種のSAW共振子のSをS1=T1×K1、共振周波数の低い方の第2種のSAW共振子のSをS2=T2×K2とした場合、S1/S2≧1.2とする、又は、S1/S2≧1.2のSAWフィルタAとS1/S2>1のSAWフィルタBとを多段接続することにより、通過帯域端部近傍に高減衰極を有し、また通過帯域端部近傍に高減衰極を有すると共に所望の周波数領域で大きな減衰量が得られるという作用効果を有する。
【0043】
また、本発明は、通過帯域内で低挿入損失なものとなり、更に不平衡入力−平衡出力又は平衡入力−不平衡出力が可能となるので、移動体通信機器用の携帯端末装置の小型軽量化、低電力化が達成される。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明のSAWフィルタFの第1の実施例を示し、(a)はそのブロック回路図、(b)はフィルタ特性のグラフである。
【図2】本発明のSAWフィルタFの第2の実施例を示し、(a)はそのブロック回路図、(b)はフィルタ特性のグラフである。
【図3】図3(a)は、圧電基板が36°Yカット−X伝搬のタンタル酸リチウム単結晶の場合の、S1 /S2 と(fL −f0 )/f0 ×100との関係を表したグラフ、(b)は圧電基板が36°Yカット−X伝搬のタンタル酸リチウム単結晶の場合の、S1 /S2 と(fH −f0 )/f0 ×100との関係を表したグラフである。
【図4】SAW共振子の等価回路図である。
【図5】従来の平衡型SAWフィルタのフィルタ特性のグラフである。
【図6】従来のSAW共振子の基本構成の平面図である。
【符号の説明】
1a:入力端子
1b:入力端子
2a:出力端子
2b:出力端子
3a:第2種のSAW共振子
3b:第1種のSAW共振子
3c:第2種のSAW共振子
3d:第1種のSAW共振子
4:IDT電極
5:反射器
Claims (3)
- 同一の圧電基板上で、少なくとも一対の櫛歯状電極を有する複数の弾性表面波共振子を対称格子状に接続して成る弾性表面波フィルタであって、前記複数の弾性表面波共振子はT×K(T:櫛歯状電極の電極指の対数、K:電極指の交差幅)および共振周波数が異なる2種のものからなり、共振周波数の高い方の第1種の弾性表面波共振子をT1×K1、共振周波数の低い方の第2種の弾性表面波共振子をT2×K2とした場合、(T1×K1)/(T2×K2)≧1.2であることを特徴とする弾性表面波フィルタ。
- 請求項1の弾性表面波フィルタを用い、前記弾性表面波フィルタを弾性表面波フィルタAとし、(T1×K1)/(T2×K2)>1のものを弾性表面波フィルタBとし、弾性表面波フィルタAと弾性表面波フィルタBとが多段接続されていることを特徴とする弾性表面波フィルタ。
- 圧電基板が36°Yカット−X伝搬のタンタル酸リチウム単結晶からなり、R=(T1×K1)/(T2×K2)とした場合に前記Rは、
R=−1.1/{100×(fL−f0)/f0+A}+B
R=1.4/{100×(fH−f0)/f0−A}+B
2.8≦A≦5.2
0.98≦B<1.00
(f0:フィルタの中心周波数、fL:低周波側の減衰極の周波数、fH:高周波側の減衰極の周波数)で決定される請求項1又は2記載の弾性表面波フィルタ。
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