JP3878714B2

JP3878714B2 - 弾性表面波フィルタ

Info

Publication number: JP3878714B2
Application number: JP10796697A
Authority: JP
Inventors: 義久天野
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 1997-04-24
Filing date: 1997-04-24
Publication date: 2007-02-07
Anticipated expiration: 2017-04-24
Also published as: JPH10303697A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、自動車電話及び携帯電話等の移動体無線機器等に内蔵される周波数帯域フィルタとして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）フィルタ用のＳＡＷ共振子を図４に示す。同図（ａ）はＳＡＷ共振子Ｓの基本構成の平面図、（ｂ）は電極１と電極２との間のインピーダンス特性のグラフである。
【０００３】
同図（ａ）において、ＳＡＷ共振子Ｓは、ＬｉＴａＯ₃やＬｉＮｂＯ₃等の圧電基板上に、蒸着法，フォトリソグラフィ法等により、Ａｌ，Ａｌ合金等から成る一対の櫛歯状の電極（Inter Digital Transducerで、以下、ＩＤＴ電極という）１，２を形成して成る。ＩＤＴ電極１，２のＳＡＷ伝搬路の両端には、ＳＡＷを反射し効率よく共振させるための反射器３，３が設けられており、この反射器３，３は場合によって省略されることもある。尚、（ａ）において、ＩＤＴ電極１，２及び反射器３，３の電極指の本数は数１０〜数１００本に及ぶため、その形状を簡略化して描いてある。
【０００４】
前記ＩＤＴ電極１とＩＤＴ電極２との間のインピーダンス−周波数特性は、同図（ｂ）に示すように、比較的狭帯域の周波数範囲に、非常に低インピーダンスの共振点４と非常に高インピーダンスの共振点５が現れるというものである。このインピーダンス特性により、ＳＡＷ共振子Ｓは、入力する周波数に応じて選択的にオン・オフ動作をする一種のスイッチとして機能する。
【０００５】
このようなＳＡＷ共振子Ｓを直列・並列交互に多段接続したものがラダー型（梯子型）ＳＡＷフィルタ（以下、ＳＡＷフィルタという）と呼ばれ、図５は移動体通信用のＧＨｚ周波数帯域でよく使用される２．５段π型のものである。同図（ａ）は２．５段π型のＳＡＷフィルタＦの基本構成の平面図、（ｂ）は並列ＳＡＷ共振子のインピーダンス−周波数特性のグラフ、（ｃ）は直列ＳＡＷ共振子のインピーダンス−周波数特性のグラフ、（ｄ）は２．５段π型のＳＡＷフィルタＦの通過特性のグラフである。
【０００６】
図５（ａ）に示すように、２．５段π型のＳＡＷフィルタＦは、２個の直列ＳＡＷ共振子６ａ，６ｂと３個の並列ＳＡＷ共振子７ａ，７ｂ，７ｃの計５個のＳＡＷ共振子を、多段接続することにより構成される。その際、図５（ｂ），（ｃ）に示すように、並列ＳＡＷ共振子７ａ，７ｂ，７ｃの共振周波数は、直列ＳＡＷ共振子６ａ，６ｂの共振周波数よりも低くなるようにしている。その結果、このＳＡＷフィルタＦのフィルタ通過特性、所謂信号強度−周波数特性は、同図（ｄ）に示すようなものとなる。
【０００７】
図６は、図５（ｄ）の周波数８〜１０におけるＳＡＷフィルタＦのインピーダンス特性を、各ＳＡＷ共振子のスイッング動作に置き換えて表現した等価回路図である。図６（ａ）は、周波数８付近における等価回路図で、並列ＳＡＷ共振子７ａ，７ｂ，７ｃが非常に低インピーダンス（スイッチ・オン）になるため、並列ＳＡＷ共振子７ａ，７ｂ，７ｃがグランドにショートし、かつ直列ＳＡＷ共振子６ａ，６ｂが非常に高インピーダンス（スイッチ・オフ）になるため、信号が通過し難くなっている。（ｂ）は、周波数９付近における等価回路図で、並列ＳＡＷ共振子７ａ，７ｂ，７ｃが非常に高インピーダンス（スイッチ・オフ）になり、かつ直列ＳＡＷ共振子６ａ，６ｂが非常に低インピーダンス（スイッチ・オン）になるため、信号がよく通過する。（ｃ）は、周波数１０付近における等価回路図で、直列ＳＡＷ共振子６ａ，６ｂ及び並列ＳＡＷ共振子７ａ，７ｂ，７ｃが共に高インピーダンス（スイッチ・オフ）になるため、信号が通過し難くなる。
【０００８】
また、近年、携帯電話等の移動体通信の分野において、通過周波数帯域が異なる２つの帯域通過ＳＡＷフィルタを並列に接続した、デュアルモード型のＳＡＷフィルタに対する要望が強くなっている。図７はデュアルモード型について示したもので、同図（ａ）はフィルタ通過特性を模式的に示したグラフ、（ｂ）は一入力二出力タイプのブロック図で、入力端子１３に対し出力端子１４ａ，１４ｂがあり、（ｃ）は二入力一出力タイプのブロック図で、入力端子１３ａ，１３ｂに対し出力端子１４が存在する。尚、１５，１６は各々通過周波数帯域が異なる２つの帯域通過ＳＡＷフィルタである。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、図５に示したラダー型のＳＡＷフィルタＦをそのまま並列接続して、図７（ｂ），（ｃ）のようなデュアルモード型としても、以下に述べるような問題点が生じていた。すなわち、図７（ｂ）のように構成した場合、低域側の通過周波数帯域１１（中心周波数８００ＭＨｚ程度）において、高域側の通過周波数帯域１２（中心周波数９００ＭＨｚ程度）に相当するＳＡＷフィルタの並列ＳＡＷ共振子が非常に低インピーダンス（図６（ａ）の状態）になってしまい、その結果、信号が通過し難くなる。
【００１０】
つまり、図８のように通過周波数帯域が異なる２つのＳＡＷフィルタ２１，２２を、一入力二出力タイプのデュアルモード型として構成した場合、図９（ａ）のようなフィルタ通過特性及び図９（ｂ）のようなＶＳＷＲ（Voltage Standing Wave Ratio;電圧定在波比）−周波数特性が理想的であるが、実際には図１０（ａ），（ｂ）のようになってしまう。
【００１１】
すなわち、図１０（ａ）に示すように、低域側のＳＡＷフィルタ２１に相当する通過周波数帯域での信号レベルが低下し、挿入損失劣化を生じる。また、図１０（ｂ）のように、低域側の通過周波数帯域でＶＳＷＲが非常に大きくなり、外部回路とのインピーダンス不整合による信号の反射、不通過が大きくなる。これは、等価回路でいえば図１１の状態に相当し、高域側の通過周波数帯域に相当するＳＡＷフィルタ２２の並列ＳＡＷ共振子２６ａ，２６ｂ，２６ｃが低インピーダンスになり、グランドにほぼショートしてしまうためである。前記ＶＳＷＲは交流信号のインピーダンス不整合による信号の反射、不通過の度合いを示すパラメータで、その値が１の場合が最もよく、１より大きいと信号の反射、不通過が大きくなる。また、図１０（ａ）のＳ２１（縦軸）は信号強度に比例するパラメータである。
【００１２】
因みに、このときの図８の各ＳＡＷ共振子のパラメータを表１に示す。
【００１３】
【表１】

【００１４】
尚、図８及び図１１において、２１は低域側の通過周波数帯域に相当する２．５段Ｔ型のＳＡＷフィルタ、２２は高域側の通過周波数帯域に相当する２．５段π型のＳＡＷフィルタ、２３ａ，２３ｂ，２３ｃはＳＡＷフィルタ２１側の直列ＳＡＷ共振子、２４ａ，２４ｂはＳＡＷフィルタ２１側の並列ＳＡＷ共振子、２５ａ，２５ｂはＳＡＷフィルタ２２側の直列ＳＡＷ共振子、２６ａ，２６ｂ，２６ｃはＳＡＷフィルタ２２側の並列ＳＡＷ共振子、２７は入力端子、２８ａ，ｂは出力端子である。
【００１５】
従来、このような問題を解決するために、図１２に示すように、並列接続されたＳＡＷフィルタ２１，２２の前段に遅延線路３１，３２を挿入することによって、図７の低域側の通過周波数帯域１１において、本来短絡（ショート）した状態にある高域側のＳＡＷフィルタ２２の特性を、正反対のオープン状態になるように位相回転、すなわち位相及びインピーダンスのシフトを行うというものが提案されている（”DEVELOPMENT OF SMALL ANTENNA DUPLEXER USING SAW FILTERS FOR HANDHELD PHONES",O.Ikata et.al,1993 ULTRASONICS SYMPOSIUM,PP.111-114参照）。
【００１６】
しかし、上記の遅延線路を挿入するものの場合、所望の位相回転量を得るためには、遅延線路の長さが必要以上に長くなってしまい、ＳＡＷフィルタの小型化の障害となっていた。しかも、周波数が低くなればなるほど遅延線路の長さは長くなり、さらに小型化に不適当となる。また、遅延線路が持つ抵抗及び電磁放射による損失が、ＳＡＷフィルタの挿入損失を劣化するという問題点もあった。
【００１７】
更には、遅延線路が長いために、ＳＡＷ共振子と共に圧電基板上に集積化することができず、パッケージの表面等に遅延線路を設ける必要があった。しかし、遅延線路の仕様はＳＡＷフィルタの仕様と共に変わるため、異なるＳＡＷフィルタ間でパッケージを共用化できず、その結果、高コスト化を招くという問題点も有していた。
【００１８】
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、デュアルモード型のＳＡＷフィルタにおいて、低域側のフィルタ通過特性の劣化を防止し、また小型化に適しており、その結果、低コストに製造可能なものとすることにある。
【００１９】
【課題を解決するための手段】
本発明の弾性表面波フィルタは、通過周波数帯域が異なる複数のラダー型弾性表面波フィルタを並列接続して成り、高域側の通過周波数帯域を有するラダー型弾性表面波フィルタの並列弾性表面波共振子と接地間に、低域側の通過周波数帯域で１０００Ω以上の高インピーダンスを有するフィルタを介装してなることを特徴とし、高域側のＳＡＷフィルタで信号がグランドへショートして、低域側のフィルタ通過特性が劣化するのを抑制、防止する。好ましくは、前記フィルタをＳＡＷフィルタと共に圧電基板上に一体的に集積化する。
【００２０】
【発明の実施の形態】
本発明を図１により説明する。同図は一入力二出力タイプのデュアルモード型のＳＡＷフィルタに、本発明を適用した構成のブロック図である。同図において、４１は低域側の通過周波数帯域に相当する２．５段Ｔ型のＳＡＷフィルタ、４２は高域側の通過周波数帯域に相当する２．５段π型のＳＡＷフィルタ、４３ａ，４３ｂ，４３ｃはＳＡＷフィルタ４１側の直列ＳＡＷ共振子、４４ａ，４４ｂはＳＡＷフィルタ４１側の並列ＳＡＷ共振子、４５ａ，４５ｂはＳＡＷフィルタ４２側の直列ＳＡＷ共振子、４６ａ，４６ｂ，４６ｃはＳＡＷフィルタ４２側の並列ＳＡＷ共振子、４７は入力端子、４８ａ，ｂは出力端子、４９ａ，４９ｂ，４９ｃはＳＡＷフィルタ４２の並列ＳＡＷ共振子４６ａ，４６ｂ，４６ｃと接地間に介装され、かつ低域側の通過周波数帯域で高インピーダンスであるフィルタである。
【００２１】
従って、低域側の通過周波数帯域では図２のような等価回路となり、フィルタ４９ａ，４９ｂ，４９ｃが高インピーダンス（スイッチ・オフ）となる。このような構成により、信号が接地側へショートせずに通過可能となり、ＳＡＷフィルタ４２の動作が良好なものとなる。
【００２２】
本発明でいう前記高インピーダンスは、圧電基板材料、ＳＡＷ共振子のＩＤＴ電極指対数、ＩＤＴ電極指ピッチ等のパラメータにより変動はあるが、少なくとも１０００Ω以上とするのが、本発明の上記効果を発揮するうえで必要である。
【００２３】
本発明のフィルタ４９ａ，４９ｂ，４９ｃは、一般的に、インダクタ，キャパシタ，抵抗素子等のインピーダンス素子により構成できるが、ＳＡＷ共振子を用いると、他のＳＡＷ共振子と共に同じ製造工程で一体的に作製でき、また従来の遅延線路よりも大幅な小型化が可能となるため好適である。また、前記フィルタ４９ａ，４９ｂ，４９ｃは、高域側の通過周波数帯域を含む高周波数帯域側では、低インピーダンスのフィルタ又は高インピーダンスのフィルタ（低域通過フィルタ）のいずれでもよいが、低域通過フィルタである方が、高周波数帯域側で信号がグランドへショートし難いため好ましい。
【００２４】
本発明は、ＳＡＷフィルタが２種類のものに限らず、通過周波数帯域が各々異なるものを複数並列接続したものであれば適用できる。例えば、３種類のＳＡＷフィルタの場合、高域、中域、低域の通過周波数帯域に相当するＳＡＷフィルタにおいて、より高域側のものと低域側のものとの関係で本発明を適用すればよい。例えば、高域と中域、高域と低域、中域と低域、高域及び中域と低域という関係において適用する。
【００２５】
また、本実施形態では、一入力二出力タイプについて説明したが、二入力一出力タイプの場合も同様である。
【００２６】
本発明において、ＳＡＷ共振子のＩＤＴ電極はＡｌあるいはＡｌ合金（Ａｌ−Ｃｕ系，Ａｌ−Ｔｉ系等）からなり、特にＡｌが励振効率が高く、材料コストが低いため好ましい。また、ＩＤＴ電極は蒸着法、スパッタリング法又はＣＶＤ法等の薄膜形成法により形成する。
【００２７】
そして、ＩＤＴ電極の対数は５０〜２００程度、電極指の幅は０．１〜１０．０μｍ程度、電極指の間隔は０．１〜１０．０μｍ程度、電極指の開口幅（交差幅）は１０〜１００μｍ程度、ＩＤＴ電極の厚みは０．２〜０．４μｍ程度とすることが、共振器あるいはフィルタとしての所期の特性を得るうえで好適である。また、ＩＤＴ電極の電極指間に酸化亜鉛，酸化アルミニウム等の圧電材料を成膜すれば、ＳＡＷの共振効率が向上し好適である。
【００２８】
ＳＡＷフィルタ用の圧電基板としては、３６°Ｙカット−Ｘ伝搬のＬｉＴａＯ₃結晶、６４°Ｙカット−Ｘ伝搬のＬｉＮｂＯ₃結晶、４５°Ｘカット−Ｚ伝搬のＬｉＢ₄Ｏ₇結晶等が、電気機械結合係数が大きく且つ群遅延時間温度係数が小さいため好ましい。圧電基板の厚みは０．３〜０．５ｍｍ程度がよく、０．３ｍｍ未満では圧電基板が脆くなり、０．５ｍｍ超では材料コストが大きくなる。
【００２９】
かくして、本発明は、低域側の通過周波数帯域におけるフィルタ通過特性の劣化を抑制、防止し、また小型化に適しており、その結果、低コストに製造可能になるという作用効果を有する。
【００３０】
なお、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等差し支えない。
【００３１】
【実施例】
本発明の実施例を以下に説明する。図１のようなデュアルモード型のＳＡＷフィルタを、以下の（１）〜（３）の工程で製造した。
【００３２】
（１）３６°Ｙカット−Ｘ伝搬のＬｉＴａＯ₃結晶から成るウエハ上に、複数のＳＡＷフィルタ用のパターンを、紫外線（Deep-UV 光）光源を用いた密着露光機によるフォトリソグラフィ法で形成し、前記パターン上にＩＤＴ電極及び反射器用のＡｌを電子ビーム蒸着法により３５００Å成膜した。
【００３３】
（２）レジスト剥離液中で不要なＡｌをリフトオフし、ＳＡＷフィルタ用のＡｌパターンを形成した。
【００３４】
（３）パターニングの完了したウエハを個々のＳＡＷフィルタにダイシング法でカットし、個々のＳＡＷフィルタをＳＭＤ（Surface Mounted Device：表面実装素子）用のパッケージに収容して、エポキシ樹脂で接着固定し、リッドを被せ封止する。
【００３５】
そして、本実施例のＳＡＷフィルタの各ＳＡＷ共振子及びＳＡＷ共振子から成るフィルタのパラメータを表２に示す。本実施例のフィルタのインピーダンス値は、低域側の通過周波数帯域（８４０±１２．５ＭＨｚ）において、約１０００Ωであった。尚、高域側の通過周波数帯域は８８０±１２．５ＭＨｚである。
【００３６】
【表２】

【００３７】
また、図３にそのフィルタ特性を示し、同図（ａ）はフィルタ通過特性のグラフ、（ｂ）はＶＳＷＲ−周波数特性のグラフである。図３において明らかなように、ＳＡＷフィルタ４１，４２による２つの通過周波数帯域が実現されており、各々の通過周波数帯域において、相手側の通過周波数帯域への信号の漏れは−２０ｄＢ以下に抑制された。その結果、低域側のフィルタ通過特性が改善され、劣化はまったく見られなかった。また、ＶＳＷＲ−周波数特性も大きく改善された。
【００３８】
更に、図１のＳＡＷフィルタ４１，４２全体が一個の圧電基板上に一体的に集積化されているので、従来の遅延線路を使用したものと比較して、大幅な小型化及び低コスト化が達成された。
【００３９】
【発明の効果】
本発明は、高域側の通過周波数帯域を有するＳＡＷフィルタの並列ＳＡＷ共振子と接地間に、低域側の通過周波数帯域で１０００Ω以上の高インピーダンスのフィルタを介装することにより、低挿入損失のフィルタ通過特性及び低ＶＳＷＲ−周波数特性が実現できるという作用効果を有する。
【００４０】
また、フィルタをＳＡＷフィルタと同一の圧電基板上に一体的に形成可能なため、従来の長い遅延線路が不要となり、大幅な小型化ができる。更には、仕様に応じて異なる遅延線路を個々のパッケージ上に設ける必要もないため、パッケージが共用化され、低コストに製造できるという効果もある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のＳＡＷフィルタのブロック図である。
【図２】本発明のＳＡＷフィルタの低域側の通過周波数帯域における、インピーダンス特性の等価回路図である。
【図３】本発明のＳＡＷフィルタのフィルタ特性を示し、（ａ）はフィルタ通過特性のグラフ、（ｂ）はＶＳＷＲ−周波数特性のグラフである。
【図４】（ａ）は従来のＳＡＷ共振子の基本構成の平面図、（ｂ）は従来のＳＡＷ共振子のインピーダンス特性のグラフである。
【図５】（ａ）は従来のラダー型ＳＡＷフィルタの回路図、（ｂ）は並列ＳＡＷ共振子のインピーダンス特性のグラフ、（ｃ）は直列ＳＡＷ共振子のインピーダンス特性のグラフ、（ｄ）はラダー型ＳＡＷフィルタのフィルタ通過特性のグラフである。
【図６】（ａ）は図５（ｄ）の周波数８における従来のラダー型ＳＡＷフィルタのインピーダンス特性の等価回路図、（ｂ）は図５（ｄ）の周波数９における従来のラダー型ＳＡＷフィルタのインピーダンス特性の等価回路図、（ｃ）は図５（ｄ）の周波数１０における従来のラダー型ＳＡＷフィルタのインピーダンス特性の等価回路図である。
【図７】（ａ）は従来のデュアルモード型のＳＡＷフィルタのフィルタ通過特性を模式的に示したグラフ、（ｂ）は従来の一入力二出力タイプのブロック図、（ｃ）は従来の二入力一出力タイプのブロック図である。
【図８】従来の通過周波数帯域が異なる２つのＳＡＷフィルタを、一入力二出力タイプのデュアルモード型としたもののブロック図である。
【図９】（ａ）は図８のものの理想的なフィルタ通過特性のグラフ、（ｂ）は図８のものの理想的なＶＳＷＲ−周波数特性のグラフである。
【図１０】（ａ）は図８のものの実際のフィルタ通過特性のグラフ、（ｂ）は図８のものの実際のＶＳＷＲ−周波数特性のグラフである。
【図１１】図８のものの低域側の通過周波数帯域におけるインピーダンス特性の等価回路図である。
【図１２】従来の一入力二出力タイプのデュアルモード型のＳＡＷフィルタで、各ＳＡＷフィルタの前段に遅延線路を設けたもののブロック図である。
【符号の説明】
１：ＩＤＴ電極
２：ＩＤＴ電極
３：反射器
４１：低域側の通過周波数帯域に相当するＳＡＷフィルタ
４２：高域側の通過周波数帯域に相当するＳＡＷフィルタ
４３ａ：直列ＳＡＷ共振子
４３ｂ：直列ＳＡＷ共振子
４３ｃ：直列ＳＡＷ共振子
４４ａ：並列ＳＡＷ共振子
４４ｂ：並列ＳＡＷ共振子
４５ａ：直列ＳＡＷ共振子
４５ｂ：直列ＳＡＷ共振子
４６ａ：並列ＳＡＷ共振子
４６ｂ：並列ＳＡＷ共振子
４６ｃ：並列ＳＡＷ共振子
４９ａ：フィルタ
４９ｂ：フィルタ
４９ｃ：フィルタ

Claims

通過周波数帯域が異なる複数のラダー型弾性表面波フィルタを並列接続して成り、高域側の通過周波数帯域を有するラダー型弾性表面波フィルタの並列弾性表面波共振子と接地間に、低域側の通過周波数帯域で１０００Ω以上の高インピーダンスを有するフィルタを介装してなることを特徴とする弾性表面波フィルタ。