JP3889343B2 - 可変フィルタ - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、可変フィルタに関する。
【０００２】
【従来の技術】
無線通信技術の発達、新方式への切り替えに伴い、複数の送受信システムに対応する通信装置の需要がますます高まっている。複数の送受信システムに対応するためには、通過特性の異なるフィルタをいくつも用いて送受信装置を形成しなくてはならないが、この方法は通信装置の小型化という観点から適切ではない。
【０００３】
そこで適当な外部制御手段を用いてフィルタの通過特性を可変にできる可変フィルタを用いれば、素子数を減らすことができるので通信装置の小型化を図るうえで期待されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上述したように、複数の送受信システムに対応する通信装置の需要が高まりつつあり、通過特性を可変にできる可変フィルタが期待されている。
【０００５】
本発明は、適当な外部制御手段を用いて通過特性を可変にできる新たな可変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】
上記目的を達成するために、本発明は、直列接続の薄膜圧電共振器と、並列接続の薄膜圧電共振器とを組み合わせた可変フィルタにおいて、
前記直列薄膜圧電共振器及び前記並列薄膜圧電共振器の少なくとも一つは共振特性が印加電圧により変化する薄膜圧電共振器であり、この薄膜圧電共振器に印加される電圧により通過特性が制御されることを特徴とする可変フィルタを提供する。
【０００７】
また、本発明は、第１及び第２の入力端子と、
第１及び第２の出力端子と、
前記第１の入力端子及び前記第１の出力端子間或いは前記第２の入力端子及び前記第２の出力端子間に直列接続された薄膜圧電共振器と、
前記第１の入力端子及び前記第２の入力端子との間或いは前記第１の出力端子及び前記第２の出力端子との間に並列接続された薄膜圧電波共振器と、
前記直列薄膜圧電共振器及び前記並列薄膜圧電共振器の少なくとも一つは共振特性が印加電圧により変化する薄膜圧電共振器であり、この薄膜圧電共振器に接続され、電圧を可変にする可変電圧回路とを具備し、
前記可変電圧回路により前記薄膜圧電共振器に印加される電圧を変化させ通過特性が制御されることを特徴とする可変フィルタを提供する。
【０００８】
ここで通過特性とは、フィルタを通過する電磁波の通過周波数帯域の幅や波形形状、阻止帯域の幅や波形形状その他のフィルタ特性のことを言う。
【０００９】
このとき、前記直列薄膜圧電共振器の共振周波数と前記並列薄膜圧電共振器の反共振周波数とを一致させ、前記直列薄膜圧電共振器及び前記並列薄膜圧電共振器の印加電圧を変化させることによって、前記直列薄膜圧電共振器の共振周波数及び前記並列薄膜圧電共振器の反共振周波数とを共に上昇或いは下降させて、通過帯域の中心周波数を制御することができる。
【００１０】
また、前記直列薄膜圧電共振器の共振周波数と前記並列薄膜圧電共振器の反共振周波数とを一致させ、前記直列薄膜圧電共振器或いは前記並列薄膜圧電共振器の印加電圧を変化させることによって、前記直列薄膜圧電共振器の共振周波数及び反共振周波数の間隔或いは前記並列薄膜圧電共振器の共振周波数及び反共振周波数の間隔を変化させて、通過帯域幅を制御することができる。
【００１１】
また、前記直列薄膜圧電共振器の共振周波数と前記並列薄膜圧電共振器の反共振周波数とをほぼ一致させ、前記直列薄膜圧電共振器及び前記並列薄膜圧電共振器の印加電圧を変化させることによって、前記直列薄膜圧電共振器の共振周波数及び前記並列薄膜圧電共振器の反共振周波数の間隔を変化させて、通過帯域のリップル位置或いはリップル形状を制御することができる。
【００１２】
また、前記直列薄膜圧電共振器の反共振周波数と前記並列薄膜圧電共振器の共振周波数とを一致させ、前記直列薄膜圧電共振器及び前記並列薄膜圧電共振器の印加電圧を変化させることによって、前記直列薄膜圧電共振器の反共振周波数及び前記並列薄膜圧電共振器の共振周波数とを共に上昇或いは下降させて、阻止帯域の中心周波数を制御することができる。
【００１３】
また、前記直列薄膜圧電共振器の反共振周波数と前記並列薄膜圧電共振器の共振周波数とを一致させ、前記直列薄膜圧電共振器或いは前記並列薄膜圧電共振器の印加電圧を変化させることによって、前記直列薄膜圧電共振器の共振周波数及び反共振周波数の間隔或いは前記並列薄膜圧電共振器の共振周波数及び反共振周波数の間隔を変化させて、阻止帯域幅を制御することができる。
【００１４】
また、前記直列薄膜圧電共振器或いは前記並列薄膜圧電共振器の印加電圧を変化させることによって、前記直列薄膜圧電共振器の共振周波数と前記並列薄膜圧電共振器の反共振周波数とが一致したときに得られる通過帯域特性及び前記直列薄膜圧電共振器の共振周波数と前記並列薄膜圧電共振器の共振周波数とが一致したときに得られる全域阻止特性とを切り替えることができる。
【００１５】
また、前記可変フィルタを単独或いは組み合わせて少なくとも２個以上直列に接続することができる。
【００１６】
また、前記直列に接続された前記可変フィルタの間にアイソレータ或いはバッファアンプが接続することができる。
【００１７】
また、前記可変フィルタを単独或いは組み合わせて少なくとも２個以上、スイッチを介して並列に接続し、前記スイッチにより前記フィルタを選択することにより、通過特性を制御することができる。
【００１８】
また、前記直列薄膜圧電共振器及び前記並列薄膜圧電共振器は、単結晶或いは配向した強誘電体膜とこれを挟んだ電極とを具備することが好ましい。
【００１９】
また、前記強誘電体膜が０．１°以上の配向半値幅を有することが好ましい。
【００２０】
また、前記強誘電体が、チタン酸バリウムを主成分とすることが好ましい。
【００２１】
また、本発明は、入出力に対して直列に接続された第１の薄膜圧電共振器と、
入出力に対して並列に接続された第２の薄膜圧電共振器と、
前記第１及び第２の薄膜圧電共振器の少なくとも一方の印加電圧を変化させる可変電圧回路と、
前記可変電圧回路の電圧を変化させることによって、前記第１及び第２の薄膜圧電共振器の少なくとも一方の共振特性をシフトさせて、前記薄膜圧電共振器の通過及び遮断周波数帯を切り替えることを特徴とするスイッチングフィルタを提供する。
【００２２】
また、本発明は、第１の入出力端子と、
第２の入出力端子と、
前記第１の入出力端子間に直列に接続された複数の直列薄膜圧電共振器と、
前記第１の入出力端子と前記第２の入出力端子との間に並列に接続された複数の並列薄膜圧電共振器と、
前記直列薄膜圧電共振器と前記並列薄膜圧電共振器の少なくとも一方に電圧を印加することのできる可変電圧回路と、
前記可変電圧回路の電圧を変化させることによって、前記直列薄膜圧電共振器の共振周波数と前記並列薄膜圧電共振器の反共振周波数とが一致したときに得られる帯域通過特性及び前記直列薄膜圧電共振器の共振周波数と前記並列薄膜圧電共振器の共振周波数とが一致したときに得られる全域阻止特性を切り替えることを特徴とするスイッチングフィルタを提供する。
【００２３】
このとき、前記直列薄膜圧電共振器と前記並列薄膜圧電共振器とを用いて多段の梯子型帯域通過フィルタ回路を形成することができる。
【００２４】
前記直列薄膜圧電共振器と前記並列薄膜圧電共振器を用いて多段の格子型帯域通過フィルタ回路を形成することができる。
【００２５】
また、前記薄膜圧電共振器に使用される圧電体膜がチタン酸バリウムを主成分とするペロブスカイト型構造の誘電体からなることが好ましい。
【００２６】
また、本発明は、アンテナと、
前記アンテナに接続され、異なる周波数帯をろ波する複数のスイッチングフィルタと、
前記スイッチングフィルタのそれぞれに接続され、前記異なる周波数帯に対応する複数の周波数処理システムとを具備するマルチバンド対応の無線装置であって、
前記スイッチングフィルタが前記スイッチングフィルタを用いることを特徴とする無線装置を提供する。
【００２７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。なお、本発明は、以下の実施形態に限定されるものではなく種々工夫して用いることができる。
【００２８】
先ず、本発明者らは、可変フィルタを形成するための薄膜圧電共振器の圧電体として、どのような材料を用いればよいかを検討した。その結果、強誘電体膜を用いれば分極が大きな電界依存性をもち、かつ自発分極が生じているため電圧を印加しなくとも圧電性を示し、材料定数が大きな電圧依存性を示すことを見出した。
【００２９】
特に、厚み縦振動を利用した共振を利用するため、分極は膜厚方向に揃っている必要がある。そのためには膜厚方向に配向した強誘電体薄膜が好ましい。また、膜厚方向に配向したエピタキシャル成長した強誘電体薄膜を用いることがより好ましいことが分かった。
【００３０】
また、強誘電体膜の弾性定数と電気機械結合定数（圧電定数）が電界依存性をもつ。このため膜厚方向に配向した強誘電体膜を用いた薄膜圧電共振器でフィルタを形成すると通過特性を電圧で制御できることを初めて見出した。
【００３１】
さらに、チタン酸バリウムやＰＺＴなどの強誘電体は、比誘電率がＡｌＮやＺｎＯなどの圧電体に比べて大きいため、インピーダンス整合を考慮に入れて共振器を設計すると、サイズが小さくできるというメリットがあることが分かった。
【００３２】
以下、実施形態では、圧電体としてチタン酸バリウムやＰＺＴを膜厚方向に配向するようにエピタキシャル成長したものを用いて説明する。
【００３３】
（実施形態１）
本発明者らは、帯域通過特性と全域阻止特性とを切り替えられるスイッチングフィルタについて詳細に検討を行なった。その結果、共振周波数を機械的でなく電気的に切り替える薄膜圧電共振器を用いれば、単純な回路構成で、かつ安価にマルチバンドの相互干渉、送受信信号の相互干渉及び不要ノイズを防止できる小型軽量のスイッチングフィルタを実現できることを見出した。ここで薄膜圧電共振器とは、ＳＡＷデバイスのような表面波を用いた共振器ではなく、薄膜の厚み方向の弾性波も用いた共振、すなわち薄膜をバルクとして膜全体の弾性波を用いた共振を利用した共振器のことである。薄膜圧電共振器として、薄膜バルク弾性波共振器を含む。
【００３４】
薄膜の厚さとしては、共振周波数が１ＧＨｚから２ＧＨｚで、１μｍから２μｍ程度である。今後必要とする共振周波数が高くなると、薄膜の厚さも薄くなっていく。
【００３５】
以下、本発明の原理について詳述する。
【００３６】
図１は、本発明に用いる薄膜圧電共振器の断面図である。
【００３７】
この薄膜圧電共振器は、単結晶基板５上に、エッチングストッパー層４が形成され、このエッチングストッパー層４上に、第１の電極３、圧電体膜２及び第２の電極１からなる共振器構造が形成され、さらに単結晶基板５裏面からエッチングすることによりキャビティ（空洞）１００が形成されたものである。
【００３８】
この薄膜圧電共振器は、圧電体膜２の圧電効果を利用した共振器であり、単結晶基板５の裏面に形成されたキャビティ１００によって、圧電振動のエネルギーが逃げないようにしている。なお、エッチングストッパー層４は、単結晶基板５にキャビティ１００をエッチングにより形成する際のストッパーとして機能するほかに、エッチングストッパー層４上に形成されたエピタキシャル膜の下地層としての機能も有する。
【００３９】
図２は、図１に示す薄膜圧電共振器の別の例を示す断面図であり、第１の電極３と単結晶基板５の間に空隙１１０を設けたものである。
【００４０】
この空隙１１０は、第１の電極３、圧電体膜２及び第２の電極１からなる共振器の圧電振動のエネルギーが逃げないようにするためのものである。
【００４１】
また、図３は、図１に示す薄膜圧電共振器のまた別の例を示す断面図である。この薄膜圧電共振器は、第１の電極３と単結晶基板５の間に、異なる音響インピーダンスを有する層を積層して構成したブラッグ反射鏡６が形成されたものである。
【００４２】
このブラッグ反射鏡６も、第１の電極３、圧電体膜２及び第２の電極１からなる共振器の共振周波数を有する弾性波を反射し、エネルギーを逃さない構造となっている。
【００４３】
このようにして構成された図１、図２或いは図３に示す薄膜圧電共振器は、圧電体膜２の密度、膜厚或いは第１の電極３及び第２の電極１における質量負荷の効果などによって決まる共振周波数及び反共振周波数をもち、一つの共振点付近の電気的特性は、図４のような等価回路で示される。
【００４４】
図４に示すように、この等価回路は、キャパシタンスＣ１、抵抗Ｒ及びインダクタンスＬが直列に接続され、これらにキャパシタンスＣ２が並列に接続されたものである。
【００４５】
次に、図５に、このように接続された等価回路におけるインピーダンスの絶対値の周波数依存性を示す。
【００４６】
図５に示すように、この等価回路すなわち図１乃至図３に示す薄膜圧電共振器は、極小点（共振周波数）及び極大点（反共振周波数）をもつ。
【００４７】
次に、図６にて、このような特性をもつ薄膜圧電共振器を用いたスイッチングフィルタの構造及び特性について説明する。
【００４８】
図６（ａ）は、薄膜圧電共振器を梯子型フィルタ回路に組み合わせたスイッチングフィルタを示すものであり、図６（ｂ）は、フィルタ回路を構成する直列及び並列共振器の共振特性を示す図である。
【００４９】
図６（ａ）に示すように、このスイッチングフィルタは、第１の入出力端子（Ｉｎ１、Ｏｕｔ１）と、第２の入出力端子（Ｉｎ２、Ｏｕｔ２）を有する。第１の入出力端子（Ｉｎ１、Ｏｕｔ１）間には第１の導線２０２が接続され、これに直列に薄膜圧電共振器２００が複数接続されている。
【００５０】
また、第２の入出力端子（Ｉｎ２、Ｏｕｔ２）間には第２の導線２０３が接続され、この第２の導線２０３と第１の導線２０２と並列に薄膜圧電共振器２０１が複数接続されている。
【００５１】
図６（ｂ）は、直列に接続された薄膜圧電共振器２００と並列に接続された薄膜圧電共振器２０１におけるインピーダンスの絶対値の共振周波数特性を示している。
【００５２】
このように直列に接続した薄膜圧電共振器２００と並列に接続された薄膜圧電共振器２０１とは、インピーダンスの絶対値と共振周波数の特性の形はほぼ同じであるが、直列に接続した薄膜圧電共振器２００の方が並列に接続した薄膜圧電共振器２０１よりも周波数が高い方に僅かにシフトしたものを選ぶ。
【００５３】
このとき直列に接続された薄膜圧電共振器２００の共振周波数と並列に接続された薄膜圧電共振器２０１の反共振周波数が一致するようになっている。ここで、薄膜圧電共振器の共振周波数を変えるためには、例えば圧電体膜の膜厚や電極の膜厚を変えるといった方法がある。
【００５４】
図７に、このときの直列に接続された薄膜圧電共振器２００と並列に接続された薄膜圧電共振器２０１の合成された通過特性を示す。
【００５５】
図７に示すように、この合成インピーダンスは、１．７ＧＨｚから１．９ＧＨｚにピークを有する帯域通過特性が得られていることが分かる。この特性によってある周波数帯域を濾波することが可能なフィルタリングが可能となる。
【００５６】
次に、直列に接続した薄膜圧電共振器２００及び並列に接続した薄膜圧電共振器２０１の少なくとも一方に電圧を印加して、直列に接続した薄膜圧電共振器の共振周波数と並列に接続した薄膜圧電共振器の共振周波数とを一致させる。このとき直列に接続した薄膜圧電共振器の反共振周波数と並列に接続した薄膜圧電共振器の反共振周波数も一致することになる。
【００５７】
図８に、このときのフィルタの通過特性を示す。
【００５８】
図８に示すように、このフィルタの通過特性はほぼ全域で阻止特性を示すことが分かる。
【００５９】
このように、本発明では、直列に接続された薄膜圧電共振器２００の共振周波数と並列に接続された薄膜圧電共振器２０１の反共振周波数が一致したときに得られる帯域通過フィルタ特性及び直列に接続された薄膜圧電共振器２００の共振周波数と並列に接続された薄膜圧電共振器２０１の共振周波数とが一致したときに得られる全域阻止特性を、電圧によって切り替え可能とすることによって、簡単な構造のスイッチングフィルタを提供できる。
【００６０】
この例では、初期状態に電圧無印加で直列に接続された薄膜圧電共振器の特性と並列に接続された薄膜圧電共振器の特性がずれている状態を説明したが、初期状態にこれらの特性が一致している状態から電圧を印加することによって、これらの特性がずれている状態にすることも可能である。
【００６１】
また、直列に接続された薄膜圧電共振器２００及び並列に接続された薄膜圧電共振器２０１のいずれか一方に電圧を印加して特性をシフトさせてもいいし、両方に電圧を印加することによって特性をシフトさせてもよい。
【００６２】
このように本発明では、圧電体膜にＤＣバイアスを印加し、分極状態を変化させて、圧電定数及び弾性定数などを変化して共振周波数を変化させることを利用している。このような効果を利用すれば、直列に接続された薄膜圧電共振器２００と並列に接続された薄膜圧電共振器２０１の共振特性を一致させて得られる全域阻止特性と、直列に接続された薄膜圧電共振器２００と並列に接続された薄膜圧電共振器２０１の共振特性をずらすことによって得られる帯域通過特性とをＤＣバイアスのみで切り替えることができるので、簡単な構成によりスイッチングフィルタを提供することができる。
【００６３】
以上では、図６に示した不平衡な（ｕｎｂａｌａｎｃｅｄ）梯子型フィルタを例にとって説明を行なったが、図９に示す平衡な（ｂａｌａｎｃｅｄ）梯子型フィルタ或いは図１０に示すような平衡な格子型フィルタを用いても同様の効果が得られる。
【００６４】
また、スイッチングフィルタを構成する薄膜圧電共振器の段数についても、図６、図９、図１０に記載の段数に限らず、帯域外減衰量を大きくするためにさらに段数を増やしても良いし、通過域での挿入損失を減らすために段数を減らしても良い。その他、本発明の主旨の範囲内であれば、目的に応じてフィルタ回路の構成を変形して用いることができる。
【００６５】
次に、上述した薄膜圧電共振器に印加するＤＣバイアスの印加方式について説明する。
【００６６】
先ず、図９に示したような平衡な梯子型フィルタの並列に接続された薄膜圧電共振器２０１のみに電圧を印加する方式について検討を行なった。
【００６７】
単純に考えると、図９に示した回路の中で並列に接続された薄膜圧電共振器２０１の両端部にのみ可変電圧回路を接続すればよさそうであるが、その場合直列に接続された薄膜圧電共振器２００にも電圧が印加されて、共振特性が変化してしまう。フィルタ特性の通過、阻止を最も効率的に切り替えるためには、並列に接続された薄膜圧電共振器２０１と直列に接続された薄膜圧電共振器２００とに印加される電圧をそれぞれ独立に制御する必要があるので、並列に接続された薄膜圧電共振器２０１に電圧を印加する時に、直列に接続された薄膜圧電共振器２００の特性が変化してしまうのは好ましくない。
【００６８】
これを解決するために、図１１に示すような回路構成を挙げることができる。
【００６９】
図１１に示すように、平衡な梯子型フィルタ回路は、第１の入出力端子（Ｉｎ１、Ｏｕｔ１）と、第２の入出力端子（Ｉｎ２、Ｏｕｔ２）と、第１の入出力端子（Ｉｎ１、Ｏｕｔ２）間を接続した第１の導線２０２と、第２の入出力端子（Ｉｎ１、Ｏｕｔ２）間を接続した第２の導線２０３と、第１の導線２０２に直列に接続された第１から第３の直列に接続された薄膜圧電共振器（２００−１、２００−２、２００−３）と、第２の導線２０３に直列に接続された第４から第６の直列に接続された薄膜圧電共振器（２００−４、２００−５、２００−６）と、第１と第２の直列に接続された薄膜圧電共振器（２００−１、２００−２）との間を一方の端子とし第４と第５の直列に接続された薄膜圧電共振器（２００−４、２００−５）との間をもう一方の端子とする第１の並列に接続された薄膜圧電共振器２０１−１と、第２と第３直列に接続された薄膜圧電共振器（２００−２、２００−３）との間を一方の端子とし第５と第６直列に接続された薄膜圧電共振器（２００−５、２００−６）との間をもう一方の端子とする第２の並列に接続された薄膜圧電共振器２０１−２とから構成され、さらに第１と第２の入出力端子（Ｉｎ１、Ｏｕｔ１、Ｉｎ２、Ｏｕｔ２）にはそれぞれキャパシタンスＣとインダクタンスＬからなるマッチング回路が接続されている。
【００７０】
このような３段の平衡な梯子型フィルタ回路において、二つの並列に接続された薄膜圧電共振器（２０１−１、２０１−２）のみに電圧を印加するためには以下のような回路を接続すればよい。
【００７１】
先ず、第１と第２並列に接続された薄膜圧電共振器（２０１−１、２０１−２）を、第１の導線２０２から第２の導線２０３に向けて電圧が印加された場合にその共振周波数がともに上昇（もしくはともに低下）するように接続する。
【００７２】
次に、第１の直列に接続された薄膜圧電共振器２００−１と第１の入力端子Ｉｎ１との間、第１と第２の直列に接続された薄膜圧電共振器（２００−１、２００−２）の間、第２と第３の直列に接続された薄膜圧電共振器（２００−２、２００−３）の間、そして第３の直列に接続された薄膜圧電共振器２００−３と第１の出力端子Ｏｕｔ１との間に、高周波をカットするための抵抗Ｒを介して、可変電圧回路の一方の端子Ｖ１を接続する。さらに、第４の直列に接続された薄膜圧電共振器２００−４と第２の入力端子Ｉｎ２との間、第４と第５の直列に接続された薄膜圧電共振器（２００−４、２００−５）の間、第５と第６の直列に接続された薄膜圧電共振器（２００−５、２００−６）の間、そして第６の直列に接続された薄膜圧電共振器２００−６と第２の出力端子Ｏｕｔ２との間に、高周波をカットするための抵抗Ｒを介して、可変電圧回路のもう一方の端子Ｖ２を接続する。
【００７３】
上述の電圧印加方式を用いると、直列に接続された薄膜圧電共振器２００の全てに対して可変電圧回路が接続されているので、直列に接続された薄膜圧電共振器２００には電圧が印加されず、並列に接続された薄膜圧電共振器２０１にのみ電圧を印加することが可能である。
【００７４】
また第１と第２の入出力端子（Ｉｎ１、Ｏｕｔ１、Ｉｎ２、Ｏｕｔ２）にはマッチング回路が接続されているため、ポートの外部に対してはＤＣ電圧が印加されることはない。
【００７５】
上述の方式でフィルタ回路の各薄膜圧電共振器と可変電圧回路とを接続すれば、基本的なフィルタ構成を変えることなく、高周波カット用の抵抗体素子のみを付加することで、通常のフィルタ回路にスイッチング機能をもたせることができ、産業上特に有効である。
【００７６】
次に、図１２を用いて、平衡な梯子型フィルタの直列に接続された薄膜圧電共振器２００にのみ電圧を印加する方法を説明する。
【００７７】
図１２に示すように、このスイッチングフィルタは、６つの直列に接続された薄膜圧電共振器２００と２つの並列に接続された薄膜圧電共振器２０１とキャパシタンスＣ及びインダクタンスＬからなるマッチング回路は、図１１に示す平衡な梯子型フィルタ回路の構成と同じである。
【００７８】
可変電圧回路との接続部及び直列に接続された薄膜圧電共振器２００の「向き」、即ち電圧印加に対して共振周波数が上昇する方向のみが図１１の回路と異なり、以下それらの点について説明する。
【００７９】
先ず、第１と第３の直列に接続された薄膜圧電共振器（２００−１、２００−３）を、第１の入力端子Ｉｎ１から第１の出力端子Ｏｕｔ１に向けて電圧が印加された場合にその共振周波数がともに上昇するように接続し、それとは逆に第２の直列に接続された薄膜圧電共振器２００−２は第１の入力端子Ｉｎ１から第１の出力端子Ｏｕｔ１に向けて電圧が印加された場合にその共振周波数が低下するように接続する。
【００８０】
次に、第４と第６の直列に接続された薄膜圧電共振器（２００−４、２００−６）を、第２の入力端子Ｉｎ２から第２の出力端子Ｏｕｔ２に向けて電圧が印加された場合にその共振周波数がともに上昇するように接続し、それとは逆に第５の直列に接続された薄膜圧電共振器２００−５は第２の入力端子Ｉｎ２から第２の出力端子Ｏｕｔ２に向けて電圧が印加された場合にその共振周波数が低下するように接続する。
【００８１】
次に、第１の直列に接続された薄膜圧電共振器２００−１と第１の入力端子Ｉｎ１との間、第２と第３の直列に接続された薄膜圧電共振器（２００−２、２００−３）の間、第４の直列に接続された薄膜圧電共振器２００−４と第２の入力端子Ｉｎ２との間、そして第５と第６の直列に接続された薄膜圧電共振器（２００−５、２００−６）の間に、高周波をカットするための抵抗Ｒを介して、可変電圧回路の一方の端子Ｖ１を接続する。
【００８２】
さらに、第１と第２の直列に接続された薄膜圧電共振器（２００−１、２００−２）の間、第３の直列に接続された薄膜圧電共振器２００−３と第１の出力端子Ｏｕｔ１との間、第４と第５の直列に接続された薄膜圧電共振器（２００−４、２００−５）の間、そして第６の直列に接続された薄膜圧電共振器２００−６と第２の出力端子Ｏｕｔ２との間に、高周波をカットするための抵抗Ｒを介して、可変電圧回路のもう一方の端子Ｖ２を接続する。
【００８３】
上述の電圧印加方式を用いると、並列に接続された薄膜圧電共振器２０１の両端は常に同じ電位となっているため電圧が印加されず、直列に接続された薄膜圧電共振器２００に印加される電圧のみを制御することが可能である。
【００８４】
また第１と第２の入出力端子（Ｉｎ１、Ｏｕｔ１、Ｉｎ２、Ｏｕｔ２）にはキャパシタンスＣ及びインダクタンスＬからなるマッチング回路が接続されているため、ポートの外部に対してはＤＣ電圧が印加されることはない。
【００８５】
次に、図１３に示すような平衡な格子型フィルタの並列薄膜圧電共振器のみに電圧を印加する方式について説明する。
【００８６】
この平衡な格子型フィルタ回路は、第１の入出力端子（Ｉｎ１、Ｏｕｔ１）と、第２の入出力端子（Ｉｎ２、Ｏｕｔ２）と、第１の入出力端子（Ｉｎ１、Ｏｕｔ１）間を接続した第１の導線２０２と、第２の入出力端子間（Ｉｎ２、Ｏｕｔ２）を接続した第２の導線２０３と、第１の導線２０２に直列に接続された第１の薄膜圧電共振器２００−１と、第２の導線２０３に直列に接続された第２の薄膜圧電共振器２００−２と、第１の直列に接続された薄膜圧電共振器２００−１と第１の入力端子Ｉｎ１との間が一方の端子と接続され、第２の直列に接続された薄膜圧電共振器２００−２と第２の出力端子Ｏｕｔ２との間がもう一方の端子と接続された第１の並列に接続された薄膜圧電共振器２０１−１と、第２の直列に接続された薄膜圧電共振器２００−２と第２の入力端子Ｉｎ２との間が一方の端子と接続され、第１の直列に接続された薄膜圧電共振器２００−１と第１の出力端子Ｏｕｔ１との間がもう一方の端子と接続された第２の並列に接続された薄膜圧電共振器２０１−２とから構成され、さらに第１と第２の入出力端子（Ｉｎ１、Ｏｕｔ１、Ｉｎ２、Ｏｕｔ２）にはそれぞれキャパシタンスＣとインダクタンスＬからなるマッチング回路が接続されている。
【００８７】
上述の平衡な格子型フィルタ回路において、二つの並列に接続された薄膜圧電共振器２０１のみに電圧を印加するためには以下のような回路を接続すればよい。
【００８８】
先ず、第１と第２の並列に接続された薄膜圧電共振器（２０１−１、２０１−２）を、第１の導線２０２から第２の導線２０３に向けて電圧が印加された場合にその共振周波数がともに上昇（もしくはともに低下）するように接続する。次に、第１の直列に接続された薄膜圧電共振器２００−１と第１の入力端子Ｉｎ１との間、そして第１の直列に接続された薄膜圧電共振器２００−１と第１の出力端子Ｏｕｔ１との間に、高周波をカットするための抵抗Ｒを介して、可変電圧回路の一方の端子Ｖ１を接続する。
【００８９】
さらに、第２の直列に接続された薄膜圧電共振器２００−２と第２の入力端子Ｉｎ２との間、そして第２の直列に接続された薄膜圧電共振器２００−２と第２の出力端子Ｏｕｔ２との間に、高周波をカットするための抵抗Ｒを介して、可変電圧回路のもう一方の端子Ｖ２を接続する。
【００９０】
上述の電圧印加方式を用いると、直列に接続された薄膜圧電共振器２００の両端は常に同じ電位となっているため電圧が印加されず、並列に接続された薄膜圧電共振器２０１に印加される電圧のみを制御することが可能である。
【００９１】
また、第１と第２の入出力端子（Ｉｎ１、Ｏｕｔ１、Ｉｎ２、Ｏｕｔ２）には、キャパシタンスＣ及びインダクタンスＬからなるマッチング回路が接続されているため、ポートの外部に対してはＤＣ電圧が印加されることはない。
【００９２】
次に、図１４を用いて、平衡な格子型フィルタの直列薄膜圧電共振器にのみ電圧を印加する方法を説明する。
【００９３】
図１４に示すように、このスイッチングフィルタは、２つの直列に接続された薄膜圧電共振器２００と２つの並列に接続された薄膜圧電共振器２０１とキャパシタンスＣ及びインダクタンスＬからなるマッチング回路からなる平衡な格子型フィルタ回路の構成は、図１３と同じである。
【００９４】
可変電圧回路との接続部及び直列に接続された薄膜圧電共振器２００の「向き」、即ち電圧印加に対して共振周波数が上昇する方向のみが図１３の回路と異なり、以下それらの点について説明する。
【００９５】
先ず、第１の直列薄膜圧電共振器２００−１を、第１の入力端子Ｉｎ１から第１の出力端子Ｏｕｔ１に向けて電圧が印加された場合にその共振周波数が上昇するように接続する。次に、第２の直列に接続された薄膜圧電共振器２００−２を、第２の出力端子Ｏｕｔ２から第２の入力端子Ｉｎ２に向けて電圧が印加された場合にその共振周波数が上昇するように接続する。
【００９６】
さらに、第１の直列に接続された薄膜圧電共振器２００−１と第１の入力端子Ｉｎ１との間、そして第２の直列に接続された薄膜圧電共振器２００−２と第２の出力端子Ｏｕｔ２との間に、高周波をカットするための抵抗Ｒを介して、可変電圧回路の一方の端子Ｖ１を接続する。
【００９７】
さらに、第１の直列に接続された薄膜圧電共振器２００−１と第１の出力端子Ｏｕｔ１との間、そして第２の直列に接続された薄膜圧電共振器２００−２と第２の入力端子Ｉｎ２との間に、高周波をカットするための抵抗Ｒを介して、可変電圧回路のもう一方の端子Ｖ２を接続する。
【００９８】
上述の電圧印加方式を用いると、並列に接続された薄膜圧電共振器２０１の両端は常に同じ電位となっているため電圧が印加されず、直列に接続された薄膜圧電共振器２００に印加される電圧のみを制御することが可能である。
【００９９】
また、第１と第２の入出力端子（Ｉｎ１、Ｏｕｔ１、Ｉｎ２、Ｏｕｔ２）にはキャパシタンスＣ及びインダクタンスＬからなるマッチング回路が接続されているため、ポートの外部に対してはＤＣ電圧が印加されることはない。
【０１００】
次に、図１５に示すような不平衡な梯子型フィルタの並列薄膜圧電共振器のみに電圧を印加する方式について説明する。
【０１０１】
図１５に示すように、このスイッチングフィルタは、第１の入出力端子（Ｉｎ１、Ｏｕｔ１）と、第２の入出力端子（Ｉｎ２、Ｏｕｔ２）と、第１の入出力端子（Ｉｎ１、Ｏｕｔ１）間を接続した第１の導線２０２と、第２の入出力端子（Ｉｎ２、Ｏｕｔ２）間を接続した第２の導線２０３と、第１の導線２０２に直列に接続された第１から第３の直列に接続された薄膜圧電共振器（２００−１、２００−２、２００−３）と、第１と第２の直列に接続された薄膜圧電共振器（２００−１、２００−２）との間に一方の端子が接続され、第２の導線２０３にもう一方の端子が接続されている第１の並列に接続された薄膜圧電共振器２０１−１と、第２と第３の直列に接続された薄膜圧電共振器（２００−２、２００−３）との間に一方の端子が接続され、第２の導線２０３にもう一方の端子が接続されている第２の並列に接続された薄膜圧電共振器２０１−２とから構成され、さらに第１の入出力端子（Ｉｎ１、Ｏｕｔ１）にはそれぞれキャパシタンスＣとインダクタンスＬからなるマッチング回路が接続されている。
【０１０２】
図１５の不平衡な梯子型フィルタ回路において、二つの並列に接続された薄膜圧電共振器２０１のみに電圧を印加するためには以下のような回路を接続すればよい。
【０１０３】
先ず、第１と第２の並列に接続された薄膜圧電共振器（２０１−１、２０１−２）を、第１の導線２０２から第２の導線２０３に向けて電圧が印加された場合にその共振周波数がともに上昇（もしくはともに低下）するように接続する。
【０１０４】
次に、第１の直列に接続された薄膜圧電共振器２００−１と第１の入力端子Ｉｎ１との間、第１と第２の直列に接続された薄膜圧電共振器（２００−１、２００−２）の間、第２と第３の直列に接続された薄膜圧電共振器（２００−２、２００−３）の間、そして第３の直列に接続された薄膜圧電共振器２００−３と第１の出力端子Ｏｕｔ１との間に、高周波をカットするための抵抗Ｒを介して、可変電圧回路の一方の端子Ｖ１を接続する。
【０１０５】
さらに、第２の入力端子Ｉｎ２と第２の出力端子Ｏｕｔ２との間に、高周波をカットするための抵抗Ｒを介して、可変電圧回路のもう一方の端子Ｖ２を接続する。
【０１０６】
上述の電圧印加方式を用いると、直列に接続された薄膜圧電共振器２００の両端は常に同じ電位となっているため電圧が印加されず、並列に印加された薄膜圧電共振器２０１に印加される電圧のみを制御することが可能である。
【０１０７】
また、第１の入出力端子（Ｉｎ１、Ｏｕｔ１）には、キャパシタンスＣ及びインダクタンスＬからなるマッチング回路が接続されているため、ポートの外部に対してはＤＣ電圧が印加されることはない。
【０１０８】
次に、図１６を用いて、不平衡な梯子型フィルタの並列薄膜圧電共振器にのみ電圧を印加する方法について説明する。
【０１０９】
図１６に示すように、このスイッチングフィルタは、３つの直列に接続された薄膜圧電共振器２００と２つの並列に接続された薄膜圧電共振器２０１とキャパシタンスＣ及びインダクタンスＬからなるマッチング回路を構成する不平衡な梯子型フィルタ回路は、図１５と同じである。
【０１１０】
可変電圧回路との接続部及び直列に接続された薄膜圧電共振器２００の「向き」、即ち電圧印加に対して共振周波数が上昇する方向、およびＤＣ電圧遮断用の二つのコンデンサのみが図１５の回路と異なり、以下それらの点について説明する。
【０１１１】
先ず、第１と第３の直列薄膜圧電共振器（２００−１、２００−３）を、第１の入力端子Ｉｎ１から第１の出力端子Ｏｕｔ１に向けて電圧が印加された場合にその共振周波数が上昇するように接続する。
【０１１２】
次に、第２の直列に接続された薄膜圧電共振器２００−２を、第１の出力端子Ｏｕｔ１から第１の入力端子Ｉｎ１に向けて電圧が印加された場合にその共振周波数が上昇するように接続する。
【０１１３】
さらにＤＣ電圧を遮断する目的で、第１の並列に接続された薄膜圧電共振器２０１−１と第２の導線２０３との接続部との間に第１のコンデンサＣ１、第２の並列に接続された薄膜圧電共振器２０１−２と第２の導線２０３との接続部との間に第２のコンデンサＣ２を挿入する。
【０１１４】
さらに、第１の直列に接続された薄膜圧電共振器２００−１と第１の入力端子Ｉｎ１との間、第２と第３の直列に接続された薄膜圧電共振器（２００−２、２００−３）の間、さらに第２の並列に接続された薄膜圧電共振器２０１−２と第２のコンデンサＣ２との間に、高周波をカットするための抵抗Ｒを介して、可変電圧回路の一方の端子Ｖ１を接続する。
【０１１５】
さらに、第１と第２の直列に接続された薄膜圧電共振器（２００−１、２００−２）との間、第３の直列に接続された薄膜圧電共振器２００−３と第１の出力端子Ｏｕｔ１との間、そして第１の並列に接続された薄膜圧電共振器２０１−１と第１のコンデンサＣ１との間に高周波をカットするための抵抗Ｒを介して、可変電圧回路のもう一方の端子Ｖ２を接続する。
【０１１６】
上述の電圧印加方式を用いると、並列に接続された薄膜圧電共振器２０１の両端は常に同じ電位となっているため電圧が印加されず、直列に接続された薄膜圧電共振器２００に印加される電圧のみを制御することが可能である。
【０１１７】
また、前記第１の入出力端子（Ｉｎ１、Ｏｕｔ１）には、キャパシタンスＣ及びインダクタンスＬからなるマッチング回路が接続され、第２の導線２０３には第１と第２のコンデンサ（Ｃ１、Ｃ２）が接続されているため、ポートの外部に対してはＤＣ電圧が印加されることはない。
【０１１８】
また、本発明による薄膜圧電共振器に用いる圧電体材料としては、ＡｌＮ、ＺｎＯ、ＰｂＴｉＯ３、ＢａＴｉＯ３、Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ３（ＰＺＴ）などが適しているが、誘電率が大きい材料ほどインピーダンスマッチングを取るために必要な電極面積が小さくて済むため、小型軽量化に有利である。中でも、わずかな電圧印加で大きく共振周波数が変化するＢａＴｉＯ３が好ましい。
【０１１９】
図１７に複数の薄膜圧電共振器から構成されるスイッチングフィルタの一つの好ましい実施例の回路図を示した。
【０１２０】
この回路は不平衡な２．５段の梯子型フィルタ回路であり、３つの直列に接続された薄膜圧電共振器１１と２つの並列に接続された薄膜圧電共振器１２とからなる。直列に接続された薄膜圧電共振器１１の全ての電極と、第２の導線１７との間には可変電圧回路が接続されており、任意の方向に電圧を印加することができる構成となっている。可変電圧回路と第１の導線１６及び第２の導線１７との間には高周波成分を遮断する目的で薄膜抵抗体からなる抵抗１８が接続されている。
【０１２１】
この抵抗の大きさは、薄膜圧電共振器のインピーダンスの絶対値が最も大きくなる反共振周波数におけるインピーダンスの最大値に対して、５００倍〜１０００倍以上の値であれば良く、典型的には数百ｋΩ〜数ＭΩといった値となる。この抵抗値が大きすぎると、薄膜圧電共振器のキャパシタンスと抵抗値とで決まるＣＲ時定数が大きくなり、スイッチングに要する時間が長くなる。また、フィルタ回路の出入力端子にはマッチング回路１５が接続されており、特性インピーダンスが想定されるシステムに必要な値に調整されている。
【０１２２】
直列及び並列の薄膜圧電共振器（１１、１２）は全て同一の材料、構造で形成されており、電圧印加しない場合には図８に示すような遮断特性を示す。一方で、並列に接続された薄膜圧電共振器１２に対して、共振周波数が低下する方向にＤＣバイアスを印加して、並列に接続された薄膜圧電共振器１２の反共振周波数と直列に接続された薄膜圧電共振器１1の共振周波数とが等しくなると、その周波数を中心周波数とする帯域通過フィルタの特性を示すようになる。
【０１２３】
以上のようなフィルタを構成するための薄膜圧電共振器は例えば以下のようにして製造される。
【０１２４】
先ず、図１８に示すように、Ｓｉ基板２１を既知の酸化手法によって酸化し、ＳｉＯ２層２２を厚さ６００ｎｍ形成する。この上部にＳｒＲｕＯ３からなる空洞化のための犠牲層２３をスパッタ法により厚さ３００ｎｍ成膜する。成膜条件は、基板温度４５０℃、ＲＦパワー３００Ｗとし、４インチセラミックターゲットを用いてアルゴン及び酸素（Ａｒ＋Ｏ２）雰囲気中とした。
【０１２５】
次に、ＳｒＲｕＯ３犠牲層２３をパターニングし、硝酸セリウムアンモニウム溶液を主成分とするエッチャントにより加工した。さらにこの上部に、第１のＩｒからなる電極２４を同じくスパッタ法により厚さ１００ｎｍ形成し、パターニング後Ａｒミリング加工を行った。
【０１２６】
次に、スパッタ法によりＢａＴｉＯ３からなる圧電体膜２５を成膜した。成膜条件は、基板温度４５０℃、ＲＦパワー３００Ｗとし、成膜速度を稼ぐため複数のターゲットを使用した。なお、成膜雰囲気はアルゴン及び酸素（Ａｒ＋Ｏ２）雰囲気である。圧電体膜２５の膜厚は８００ｎｍとした。
【０１２７】
次に、圧電体膜２５をパターニング後、過酸化水素水を主成分とするエッチャントによりウェットエッチングを行った。次に、Ｉｒからなる第２の電極２６を第１の電極２４と同一の成膜条件により厚さ１００ｎｍ成膜した。
【０１２８】
次に、第２の電極２６をパターニングしたあとＡｒミリングで加工した。すべての層の成膜が終了した後、加工により形成されていたヴィアホール２７を通じて犠牲層ＳｒＲｕＯ３２３を、硝酸セリウムアンモニウム溶液を主成分とするエッチャントにより溶解し、空洞化処理を行った。
【０１２９】
このように作成された薄膜圧電共振器の電気特性を、ネットワークアナライザを用いて測定したところ、２ＧＨｚ近傍に共振、反共振周波数をもち、電気機械結合定数は約１７％、Ｑ値は８００であった。
【０１３０】
上述のようにして作成された薄膜圧電共振器を、同一のＳｉ基板上に多数作成し、その他薄膜抵抗やマッチング回路用コンデンサ、インダクタも同じ基板上にすべて薄膜技術を用いて形成した。
【０１３１】
これら薄膜素子を配線で図１７に示すスイッチングフィルタ回路となるように接続した。これらの薄膜圧電共振器は、並列、直列ともに同一の構造をもつため、ＤＣバイアスを印加しない場合は図８に示す全域阻止特性を示した。一方、並列に接続された薄膜圧電共振器１２にのみＤＣバイアスを印加して、共振周波数を低下させると、図７に示す帯域通過特性を示した。
【０１３２】
印加したＤＣバイアスは２．５Ｖのとき最も特性の良好な帯域通過フィルタ特性を示した。
【０１３３】
次に、アンテナを準備し、このアンテナに、上記スイッチングフィルタを複数接続する。このときそれぞれのスイッチングフィルタは、異なる周波数帯をろ波する特性となるようにする。次に、これらスイッチングフィルタのそれぞれに異なる周波数帯に対応する複数の周波数処理システムとを接続して、マルチバンド対応の無線装置を作製した。
【０１３４】
このようにして作製したマルチバンド無線装置では、通過域における減衰量は従来のアンテナスイッチを介した場合よりも平均で１．５ｄＢほど少なかった。
【０１３５】
このように、可変電圧回路という容易な構造によって、帯域通過特性と全域阻止特性とを切り替えることができるため、マルチバンドにおける相互干渉、送受信信号の相互干渉、不要ノイズを防止できる。
【０１３６】
（実施形態２）
本実施形態では、中心周波数を可変する可変フィルタを説明する。
【０１３７】
本実施形態においても薄膜圧電共振器は、実施形態１で説明したものと同一の工程により作製することができる。
【０１３８】
本実施形態の可変フィルタは、電圧無印加時には、直列薄膜圧電共振器の共振周波数と並列薄膜圧電共振器の反共振周波数を一致させる。このときある周波数を通過する帯域特性を持つ。次に、制御電圧を印加することにより、直列薄膜圧電共振器の共振周波数と、並列薄膜圧電共振器の反共振周波数を共に上昇或いは共に降下することにより、通過帯域の中心周波数を可変にすることができる。
【０１３９】
また、電圧印加時に直列薄膜圧電共振器の共振周波数と並列薄膜圧電共振器の反共振周波数を一致させる。このときある周波数を通過する帯域特性を持つ。次に、制御電圧を変化する或いは無印加にすることにより、直列薄膜圧電共振器の共振周波数と、並列薄膜圧電共振器の反共振周波数を共に上昇或いは共に降下することにより、通過帯域の中心周波数を可変にすることができる。
【０１４０】
通常、複数のシステムを一つの端末に載せたマルチバンド対応の移動体通信用の携帯端末では、帯域が異なるシステム毎に受信系を用意しなければならないが、本実施形態の中心周波数が可変の帯域通過フィルタを用いれば、一つのフィルタ回路だけでマルチバンド対応の移動体通信用の携帯端末を形成できる。
【０１４１】
図１９に、本実施形態に関わる中心周波数を可変する可変フィルタを、平衡な格子型フィルタで構成した場合の具体的な回路図を示す。
【０１４２】
図１９に示すように、この中心周波数可変フィルタは、第１の導線１６上に、直列薄膜圧電共振器１１が直列に接続されている。第２の導線１７上に、直列薄膜圧電共振器１１が直列に接続されている。第１の導線１６及び第２の導線１７の間に２個の並列薄膜圧電共振器１２が並列に接続されている。
【０１４３】
第１の導線１６において、入力端子１４と直列薄膜圧電共振器１１の間には、制御電圧入力端子１３が接続されている。同様に、第２の導線１７において、入力端子１４と直列薄膜圧電共振器１１の間には、制御電圧入力端子１３が接続されている。
【０１４４】
この中心周波数可変フィルタの動作原理を、図２０を用いて説明する。
【０１４５】
図２０（ａ）は電圧無印加時の直列薄膜圧電共振器１１及び並列薄膜圧電共振器１２の共振特性を示す。
【０１４６】
図２０（ａ）に示すように、直列薄膜圧電共振器１１の共振周波数（下側のピーク位置）と並列薄膜圧電共振器１２の反共振周波数（上側のピーク位置）が一致するように組み合わせている。
【０１４７】
図２０（ｃ）は、この電圧無印加時のフィルタの通過特性である。
【０１４８】
図２０（ｃ）に示すように、電圧無印加時には、中心周波数がｆ０の帯域通過フィルタ特性を示している。
【０１４９】
次に、図１９の回路において、制御電圧入力端子１３に負の電圧を印加する。直列薄膜圧電共振器１１及び並列薄膜圧電共振器１２の全てに対して同一の電圧が印加され、その向きは分極方向と逆向きである。また、正の電圧を印加した場合は、直列薄膜圧電共振器１１及び並列薄膜圧電共振器１２の全てに対して同一の電圧が印加され、その向きは分極方向と同じ向きである。
【０１５０】
図２０（ｂ）に示すように、電圧印加に伴い弾性定数が増加すると、直列薄膜圧電共振器１１及び並列薄膜圧電共振器１２の共振周波数はいずれもΔｆだけ上昇する。ここで直列薄膜圧電共振器１１の共振周波数と並列薄膜圧電共振器１２の反共振周波数は一致したまま移動するように電圧を制御する。
【０１５１】
こうすることで図２０（ｄ）に示すように、中心周波数がｆ０＋Δｆの帯域通過特性を示すフィルタとなる。すなわち電圧印加後のフィルタの通過帯域は、電圧無印加時よりも高周波側にΔｆシフトする。
【０１５２】
典型的には、直列薄膜圧電共振器１１及び並列薄膜圧電共振器１２に、１μｍの厚さのチタン酸バリウム薄膜を用いて、これに３Ｖの電圧を加えると、２％程度の共振周波数の変化率が得られる。
【０１５３】
本実施形態では、図１９に示す中心周波数可変フィルタは、例えばＧＳＭ１．８ＧとＧＳＭ１．９Ｇのように使用周波数帯が比較的近いシステムのＲＦのトップフィルタとして用いることができる。
【０１５４】
従来では、二つのＲＦフィルタが必要であるのが、周波数可変フィルタを用いればもともとサイズが小さい薄膜圧電共振器を用いたフィルタ一つで済むため、受動回路の大幅な小型化が実現でき、その有用性は極めて大きい。
【０１５５】
（実施形態３）
本実施形態では、通過周波数帯域の幅を可変する帯域幅可変フィルタを説明する。本実施形態においても薄膜圧電共振器は、実施形態１で説明したものと同一の工程により作製することができる。
【０１５６】
本実施形態の可変フィルタは、例えば電圧無印加時には、直列薄膜圧電共振器の共振周波数と並列薄膜圧電共振器の反共振周波数を一致するように構成しておく。次に、直列薄膜圧電共振器及び並列薄膜圧電共振器の少なくとも一方に制御電圧を印加することで、共振周波数と反共振周波数の間隔を変えることができる。このとき、直列薄膜圧電共振器の共振周波数と並列薄膜圧電共振器の反共振周波数がほぼ一致したままであれば、フィルタの中心周波数を動かさずに帯域幅だけを可変とすることが可能になる。
【０１５７】
電圧の印加する向きとして、強誘電体薄膜の分極が増加する向きを選べば、強誘電体薄膜の電気機械結合定数が増加し、その結果共振周波数と反共振周波数の間隔は広がる。従って、帯域通過フィルタの通過帯域幅を大きくすることが可能となる。
【０１５８】
なお、分極を大きくする向きに電圧を印加すると、弾性定数も変化し共振周波数が変化してしまう。従って、帯域幅が変化すると同時にフィルタの中心周波数も変化してしまう。
【０１５９】
このような場合は、例えば弾性定数の電圧依存性が圧電定数の電圧依存性に比べて小さい強誘電体材料を用いればよい。その一例として、例えば、若干配向に乱れをもつような強誘電体膜を用いることが好ましい。また、強誘電体膜はエピタキシャル成長した膜を使用することが好ましい。
【０１６０】
こうすることで分極方向が多少乱れている場合、電圧を印加して分極が揃った場合の圧電性の変化が非常に大きく、周波数変化が無視できる電圧範囲で帯域幅を可変とすることが可能になる。
【０１６１】
図２１に、本実施形態に関わる通過周波数帯域の幅を可変する帯域幅可変フィルタを説明する。
【０１６２】
図２１に示すように、この帯域幅可変フィルタは、第１の導線１６に２個の直列薄膜圧電共振器１１−１、１１−２が直列に接続されている。第２の導線１７に２個の直列薄膜圧電共振器１１−３、１１−４が接続されている。第１の導線１６と第２の導線１７の間に４個の並列薄膜圧電共振器１２が接続されている。
【０１６３】
直列薄膜圧電共振器１１−１及び直列薄膜圧電共振器１１−２の間には、制御電圧入力端子１３が接続されている。同様に、直列薄膜圧電共振器１１−３及び直列薄膜圧電共振器１１−４の間にも、制御電圧入力端子１３が接続されている。
【０１６４】
この帯域幅可変フィルタの動作原理を、図２２を用いて説明する。
【０１６５】
図２２（ａ）は電圧無印加時の直列薄膜圧電共振器１１及び並列薄膜圧電共振器１２の共振特性を示す。
【０１６６】
図２２（ａ）に示すように、直列薄膜圧電共振器１１の共振周波数（下側のピーク位置）と並列薄膜圧電共振器１２の反共振周波数（上側のピーク位置）が一致するように組み合わせている。このとき直列薄膜圧電共振器１１の反共振周波数のピーク位置と並列薄膜圧電共振器１２の反共振周波数のピーク位置の間隔はΔｆ／２である。
【０１６７】
図２２（ｃ）は、この電圧無印加時のフィルタの通過特性である。
【０１６８】
図２２（ｃ）に示すように、電圧無印加時には、通過帯域幅がΔｆの帯域通過フィルタ特性を示している。
【０１６９】
次に、図２１の回路において、制御電圧入力端子１３に電圧を印加する。直列薄膜圧電共振器１１及び並列薄膜圧電共振器１２の全てに対して同一の電圧が印加され、その向きは強誘電体の分極方向と同じ向きである。
【０１７０】
強誘電体膜は、電極無印加時には若干のばらつきをもっていた分極が、全て同一の方向を向くようになり、結合定数が増加する。
【０１７１】
したがって図２２（ｂ）に示すように、直列薄膜圧電共振器１１及び並列薄膜圧電共振器１２の反共振周波数の間隔が広がる。この場合直列薄膜圧電共振器１１及び並列薄膜圧電共振器１２の共振周波数の間隔も広がっている。ここで直列薄膜圧電共振器１１の共振周波数と並列薄膜圧電共振器１２の反共振周波数は一致したまま移動するように制御する。
【０１７２】
この場合、共振周波数も変化してしまうが、分極がわずかに乱れた強誘電体配向膜を圧電体膜として用いることで、共振周波数の電圧依存性よりも結合定数の電圧依存性の方がはるかに大きくなるので、実質的に問題は生じない。
【０１７３】
こうすることで図２２（ｄ）に示すように、通過する周波数帯幅がΔｆ＋Δｆ'の帯域通過特性を示すフィルタとなる。すなわち電圧印加後のフィルタの通過帯域は、電圧無印加時よりもΔｆ'だけ広がることになる。
【０１７４】
このようにしてフィルタ回路を構成したところ、制御電圧で通過帯域幅を可変にできる帯域通過フィルタを構成することができた。このようにして構成された帯域幅可変フィルタは、使用帯域幅の異なる複数のシステムを切り替えることや、情報量に応じて帯域幅を変えて対応するシステム（ＣＤＭＡ２０００など）で使用することが可能である。
【０１７５】
このように、同一のフィルタ回路で帯域幅を可変にすることができれば、伝送する情報量に応じてチャネルの周波数帯域幅を変えるという今後の移動体通信で必須とされるフィルタ機能が一つの回路で実現できることになり、実用上極めて有用である。
【０１７６】
（実施形態４）
本実施形態では、通過帯域内のリップル形状やリップル位置を可変する可変フィルタを説明する。本実施形態においても薄膜圧電共振器は、実施形態１で説明したものと同一の工程により作製することができる。
【０１７７】
本実施形態の可変フィルタは、電圧無印加時には、直列薄膜圧電共振器の共振周波数と並列薄膜圧電共振器の反共振周波数を一致させる。このときある周波数を通過する帯域特性を持つ。次に、直列薄膜圧電共振器及び並列薄膜圧電共振器の少なくとも一方に制御電圧を印加することで、直列薄膜圧電共振器の共振周波数と並列薄膜圧電共振器の反共振周波数の間隔を変化させることにより、通過帯域内のリップルの位置や形状を可変とすることができる。
【０１７８】
また、電圧印加時には、直列薄膜圧電共振器の共振周波数と並列薄膜圧電共振器の反共振周波数を一致させる。このときある周波数を通過する帯域特性を持つ。次に、直列薄膜圧電共振器及び並列薄膜圧電共振器の少なくとも一方に制御電圧を変化或いは無印加にすることで、直列薄膜圧電共振器の共振周波数と並列薄膜圧電共振器の反共振周波数の間隔を変化させることにより、通過帯域内のリップルの位置や形状を可変とすることができる。
【０１７９】
こうすることで、例えば、通過帯域内にリップルが存在し、部分的にシステム要求よりも挿入損失が大きい帯域が存在したとしても、通過帯域内の使用チャネルだけは挿入損失が小さくなるように薄膜圧電共振器に電圧を印加して強誘電体を使用した直列薄膜圧電共振器の共振周波数と並列薄膜圧電共振器の反共振周波数をずらし、また別のチャネルを用いて通信を行なうときには該当するチャネルの挿入損失が小さくなるようなリップル形状になるように制御電圧を変化させるので、多少のリップルが存在してもフィルタとして使用可能になる。
【０１８０】
このような可変フィルタは、フィルタの可変特性を向上させるような材料を選択すると、フィルタの挿入損失が若干大きくなる場合があるが、リップル位置や形状を可変とすることで、従来は適用が難しいと考えられていた材料でも可変性を活かしたフィルタとして利用することが可能になり、材料選択の幅が広がるというメリットが得られる。また、挿入損失を小さくできる材料を用いても、リップルのないフィルタを構成した場合の最小挿入損失よりも、リップルの存在を許容しても使用チャネルだけは挿入損失が小さくなるように共振器を組み合わせる方が、最小挿入損失は小さくできるという利点がある。
【０１８１】
図２３に、本実施形態に関わるリップル形状やリップル位置を可変にする可変フィルタを説明する。
【０１８２】
図２３に示すように、この可変フィルタは、第１の導線１６に３個の直列薄膜圧電共振器１１が直列に接続されている。第１の導線１６と第２の導線１７の間に２個の並列薄膜圧電共振器１２が接続されている。
【０１８３】
第１の導線１６の直列薄膜圧電共振器１１の全ての電極に制御電圧入力端子１３−１が抵抗１８を介して接続されている。
【０１８４】
制御電圧は並列薄膜圧電共振器１２にのみ印加され、直列薄膜圧電共振器１１には電圧が印加されないようになっている。
【０１８５】
このリップル形状やリップル位置を可変にする可変フィルタの動作原理を、図２４を用いて説明する。
【０１８６】
図２４（ａ）は電圧無印加時の直列薄膜圧電共振器１１及び並列薄膜圧電共振器１２の共振特性を示す。
【０１８７】
図２４（ａ）に示すように、直列薄膜圧電共振器１１の共振周波数（下側のピーク位置）と並列薄膜圧電共振器１２の反共振周波数（上側のピーク位置）が一致するように組み合わせている。
【０１８８】
図２４（ｃ）は、この電圧無印加時のフィルタの通過特性である。
【０１８９】
図２４（ｃ）に示すように、電圧無印加時には、リップルのない帯域通過フィルタ特性を示している。この場合帯域の中心にもっとも挿入損失の小さい領域が存在し、真中の２本のｃｈ２及びｃｈ３が通過する。
【０１９０】
次に、図２３の回路において、制御電圧入力端子１３に電圧を印加する。
【０１９１】
こうすると図２４（ｂ）に示すように、直列薄膜圧電共振器１１の共振周波数と並列薄膜圧電共振器１２の反共振周波数を僅かにずらす。
【０１９２】
すると図２４（ｄ）のように、通過周波数の端の位置にリップルが存在する特性となる。
【０１９３】
このように並列薄膜圧電共振器１２の反共振周波数と直列薄膜圧電共振器１１の共振周波数において挿入損失が極小となる通過特性をもつフィルタが構成できる。
【０１９４】
例えば、このリップル可変帯域通過フィルタの通過帯域内に４個のチャネルが存在する場合、図２４（ｃ）のような特性を示すときは４個のチャネルのうち真中の二つの帯域のチャネル（ｃｈ２とｃｈ３）が使用でき、図２４（ｄ）のような特性を示すときは４個のチャネルのうち上下二つの帯域のチャネル（ｃｈ１とｃｈ４）が使用できる。
【０１９５】
このようにしてリップル形状可変帯域通過フィルタ回路を構成したところ、リップルが存在せず、使用チャネルの全てに対して常に挿入損失が要求の値以下である帯域通過フィルタを作るよりは、多少のリップルがあったとしても、使用しているチャネルだけは挿入損失が少なくなるようなリップル形状になる可変フィルタの方が、使用チャネルの挿入損失を小さく抑えることができ、またある程度の特性のばらつきを電圧制御により抑えることが可能になるので、実用上そのメリットは大きい。
【０１９６】
（実施形態５）
本実施形態では、遮断周波数やその帯域幅を可変とする帯域遮断フィルタを説明する。本実施形態においても薄膜圧電共振器は、実施形態１で説明したものと同一の工程により作製することができる。
【０１９７】
この帯域遮断フィルタは、電荷無印加時に、直列薄膜圧電共振器の反共振周波数と、並列薄膜圧電共振器の共振周波数とを一致させている。このときはある周波数帯を遮断する遮断フィルタとなっている。
【０１９８】
次に、電圧を印加することによって、直列薄膜圧電共振器の共振周波数及び反共振周波数と、並列薄膜圧電共振器の共振周波数及び反共振周波数が、共に上昇或いは共に降下することにより、阻止帯域の中心周波数が可変となる。
【０１９９】
電圧印加時に直列薄膜圧電共振器の反共振周波数と、並列薄膜圧電共振器の共振周波数とを一致させ、電圧を変化或いは無印加にして、直列薄膜圧電共振器の共振周波数及び反共振周波数と、並列薄膜圧電共振器の共振周波数及び反共振周波数が、共に上昇或いは共に降下してもよい。
【０２００】
また、電圧を印加することによって、直列薄膜圧電共振器の共振周波数と反共振周波数の間隔及び並列薄膜圧電共振器の共振周波数と反共振周波数の間隔を変化させることにより、通過帯域幅を可変とする。
【０２０１】
このような構成を用いると、キャパシタンスの大きい方を直列薄膜圧電共振器として、キャパシタンスの小さい方を並列薄膜圧電共振器として用いることで、電圧を印加して直列薄膜圧電共振器の共振周波数と並列薄膜圧電共振器の反共振周波数をともに上昇させれば中心周波数も上昇し、電圧を印加して直列薄膜圧電共振器の共振周波数と並列薄膜圧電共振器の反共振周波数をともに低下させれば中心周波数も低下するため、遮断周波数を可変とする帯域通過フィルタを構成することができる。
【０２０２】
また、強誘電体薄膜の分極が増加する向きに電圧を印加して、その結果強誘電体薄膜の電気機械結合定数が増加すると、直列もしくは並列薄膜圧電共振器の共振−反共振周波数の間隔が広がるので、帯域遮断フィルタの遮断帯域幅を大きくすることが可能となる。
【０２０３】
帯域外の妨害波の周波数が変化した場合や、妨害波の存在する周波数範囲が変化した場合にも、単一のノッチフィルタ回路構成で妨害波を除くことができ、フィルタ回路の小型化に特に有利である。
【０２０４】
図２５は、実施形態５に係わる遮断周波数可変フィルタを不平衡な梯子型フィルタで構成した場合の回路例である。
【０２０５】
図２５において、遮断周波数可変フィルタは、第１の導線１６に２個の直列薄膜圧電共振器１１が直列に接続されている。第１の導線１６と第２の導線１７の間に１個の並列圧電共振器１２が並列に接続されている。直列薄膜圧電共振器１１の間に制御電圧入力端子１３−１が接続されている。
【０２０６】
こうすることで、制御電圧を直列薄膜圧電共振器１１及び並列薄膜圧電共振器１２に等しく印加することが可能となる。
【０２０７】
図２６に、この遮断周波数可変フィルタの構成を示す。
【０２０８】
図２６（ａ）に示すように、この可変フィルタは、直列薄膜圧電共振器１１に共振周波数が低く、インピーダンスが小さいもの、並列薄膜圧電共振器１２には共振周波数が高く、インピーダンスが大きいものを用いる。
【０２０９】
図２６（ｂ）に示すように、直列薄膜圧電共振器１１の反共振周波数と、並列薄膜圧電共振器１２の共振周波数が一致している。
【０２１０】
図２６（ｃ）に示すように、直列薄膜圧電共振器１１の反共振周波数と並列薄膜共振器１２の共振周波数が一致するようにすれば、この一致する周波数の位置が遮断周波数となる帯域遮断特性が得られる。
【０２１１】
さらに、直列薄膜圧電共振器１１と並列薄膜圧電共振器１２が同じ方向に共振周波数がシフトするように制御電圧を印加すれば、遮断周波数が可変となる帯域遮断フィルタを構成することができる。
【０２１２】
このようにして遮断周波数可変フィルタ回路を構成し、さらに帯域通過フィルタを同じ強誘電体配向膜からなる薄膜圧電共振器で同一基板上に形成し、直列に接続したところ、所望波を通過させ、妨害波を除去するとともに、妨害波の周波数帯が多少変動しても、変動を検知して適当な制御電圧を遮断周波数可変フィルタに印加する回路を付加することで、妨害波が変動してもフィルタ後段のアンプが飽和することなく動作させることができた。
【０２１３】
また、ノッチ位置可変ノッチフィルタ回路を使用することにより、例えばＷ−ＣＤＭＡの受信帯域である２１１０〜２１７０ＭＨｚ帯の前後にＰＨＳ（１９００ＭＨｚ前後）、無線ＬＡＮ（２．４ＭＨｚ）の帯域が存在しているので、これらの妨害波の位置に遮断周波数を合わせ、また妨害波のチャネルが変わった時にも遮断周波数を動かして妨害波に追随させる、といった動作が可能になった。
【０２１４】
（実施形態６）
本実施形態は、帯域通過特性と全域遮断特性とを電圧制御で切り替えることのできるスイッチングフィルタに関するものである。本実施形態においても薄膜圧電共振器は、実施形態１で説明したものと同一の工程により作製することができる。
【０２１５】
このスイッチングフィルタは、直列薄膜圧電共振器の共振周波数と並列薄膜圧電共振器の反共振周波数とが一致したときに得られる帯域通過特性と、直列薄膜圧電共振器の共振周波数と並列薄膜圧電共振器の共振周波数とが一致したときに得られる全域阻止特性とを、直列薄膜圧電共振器或いは並列薄膜圧電共振器の少なくとも一方に前記制御電圧を印加することにより切り替え可能である。
【０２１６】
このような構成を用いると、直列薄膜圧電共振器の共振周波数と、並列薄膜圧電共振器の反共振周波数とが一致したときに得られる帯域通過特性と、前記強誘電体を使用した直列薄膜圧電共振器の共振周波数と、並列薄膜圧電共振器の共振周波数とが一致したときに得られる全域阻止特性とを、制御電圧だけで切り替えることができる。ここで、フィルタは常時接続されており、使用されているシステムに対応するフィルタのみ通過特性を示し、それ以外のフィルタは全域阻止特性を示すため、ＰＩＮダイオードのように切り替えのために挿入されたスイッチング素子で生じる損失がなく、挿入損失の少ないフィルタが構成できるとともに、オンオフの動作が能動素子を含まないため、受動素子を集積したモジュールのみを使用すればよく、極めて小さい面積で切り替え手段が実現できるという実用上大きな利点がある。
【０２１７】
図２７は、本実施形態に係わる帯域外減衰量切り替えフィルタを、スイッチングフィルタを用いて構成したブロック図を示す。
【０２１８】
この帯域外減衰量切り替えフィルタは３つのスイッチングフィルタを具備し、それらは常時接続されている。
【０２１９】
図２８に示すように、この３つのスイッチングフィルタは、例えばフィルタの段数を変えるなどの方法により、それぞれ帯域外減衰量が異なる値となっている。
【０２２０】
図２９に、帯域外減衰量ならびに挿入損失が最も小さい第１のスイッチングフィルタ回路例を示す。
【０２２１】
図２９は、平衡な格子型フィルタからスイッチングフィルタを構成した例で、第１の導線１６及び第２の導線１７にそれぞれ１個ずつの直列薄膜圧電共振器１１が直列に接続されている。第１の導線１６と第２の導線１７の間に２個の並列薄膜圧電共振器１２が並列に接続されている。第１の導線１６の直列薄膜圧電共振器１１の両端の電極には制御電圧入力端子１３が抵抗１８を介して接続されている。こうすることで、制御電圧は並列薄膜圧電共振器１２にのみ印加され、直列薄膜圧電共振器には電圧が印加されないようになっている。
【０２２２】
次に、図３０を用いて、このスイッチングフィルタの動作原理を説明する。
【０２２３】
図３０（ａ）は、並列薄膜圧電共振器１２の反共振周波数と直列薄膜圧電共振器１１の共振周波数を一致させた場合のそれぞれの共振特性である。
【０２２４】
図３０（ｃ）に示すように、このときのフィルタの特性は、帯域通過フィルタ特性を示す（スイッチ“オン"に対応）。
【０２２５】
次に、図２９の回路の制御電圧入力端子１３に＋Ｖの電圧を印加すると、２個の並列薄膜圧電共振器１２にのみ電圧が印加される。例えば電圧印加に伴い弾性定数が増加したとすると、二つの並列薄膜圧電共振器１２の共振周波数は上昇する。
【０２２６】
図３０（ｂ）に示すように、制御電圧を変えて直列薄膜圧電共振器１１及び並列薄膜圧電共振器１２の共振周波数を一致させると、フィルタの特性は図３０（ｄ）のような全ての周波数帯にわたって阻止特性を示すようになる（スイッチ“オフ"に対応）。
【０２２７】
このように、制御電圧を変えるだけで、帯域通過特性と全域遮断特性を切り替えることができ、並列に接続してもＰＩＮダイオードのような選択手段を介さなくて済むので、挿入損失が一切増加しないというメリットがある。
【０２２８】
図２７では、このような第１のスイッチングフィルタ３３、第２のスイッチングフィルタ３４及び第３のスイッチングフィルタ３５を３つ並列に接続したものを示す。このとき第１のスイッチングフィルタ３３、第２のスイッチングフィルタ３４及び第３のスイッチングフィルタ３５のフィルタの段数は全て異なるようにしておく、第１のスイッチングフィルタ３３には第１の電圧印加端子３６から電圧が印加出来るようにしておく。第２のスイッチングフィルタ３４には第２の電圧印加端子３７から電圧が印加出来るようにしておく。第３のスイッチングフィルタ３５には第３の電圧印加端子３８から電圧が印加出来るようにしておく。３１は信号入力端子、３２は信号出力端子である。
【０２２９】
また、図２８に、このときの帯域外減衰量切り替えフィルタの通過特性を示す。
【０２３０】
図２８から分かるように、フィルタを構成する直列薄膜圧電共振器と並列薄膜圧電共振器の組み合わせからなるフィルタの段数が少ない場合、挿入損失は少ないものの帯域外減衰量の小さい通過特性となる。一方フィルタの段数が多い場合、帯域外減衰量は大きいものの挿入損失もそれに応じて大きい通過特性となる。
【０２３１】
所望波に対して近くに妨害波が存在しない場合は、帯域外減衰量は少なくてもよく、むしろ挿入損失を少なくすることが後段のアンプの負担を減らすためにも必要となるので第１のフィルタ３３をスイッチングフィルタで選択し、逆に妨害波が存在する場合は、挿入損失が例え大きくとも、帯域外減衰量を大きくして後段のアンプが飽和しないようにすることが要求されるので第２のフィルタ３４を選択して使用する。妨害波の強度が極めて大きい場合は、さらに帯域外減衰量の大きい第３のフィルタ３５を選択して使用する。
【０２３２】
このように、帯域外減衰量と挿入損失のトレードオフを回避するために、容易に小型化できる強誘電体配向膜を用いた薄膜圧電共振器から構成されるフィルタを損失の少ないスイッチ手段で切り替えて使用することで、妨害波の有無によってそれぞれ最適化されたフィルタ回路を使用できるようになった。また、スイッチ手段がフィルタ回路と同じ薄膜受動素子基板上に集積化できるため、極めてサイズの小さいフィルタモジュールが作製可能となった。
【０２３３】
（実施形態７）
本実施形態では、上記した可変フィルタを組み合わせた可変フィルタに関するものである。
【０２３４】
すなわち上記した通過帯域の中心周波数、通過帯域幅、リップル位置或いはリップル形状、ノッチ位置或いは遮断帯域幅を可変とする可変フィルタを複数用いて所望の可変帯域通過フィルタを形成することができる。
【０２３５】
こうすることでそれぞれ単独の特性可変フィルタでは実現が難しい大きな可変幅をもつフィルタを形成することもできる。
【０２３６】
例えば、フィルタ回路を実施形態２の中心周波数可変フィルタの直列接続で用い、電圧を印加することにより、前段の周波数可変フィルタの中心周波数を上昇させ、後段の周波数可変フィルタの中心周波数を低下させれば、帯域幅を狭くすることができる。
【０２３７】
また、前段と後段の中心周波数をあらかじめ異なる周波数に設定して、重なる部分だけをフィルタをして用いて、前段と後段の中心周波数を電圧印加により同じ方向に動かせば、通過帯域に比べて中心周波数の変化する割合を大きく取ることができ、より多くのシステムに特性可変フィルタを適用することができるようになり、実用上極めて有利である。
【０２３８】
図３１に、帯域幅可変フィルタを２個の中心周波数可変フィルタの直列接続により実現した回路を示す。
【０２３９】
図３１において、この直列型帯域幅可変フィルタは、第１の導線１６に２個の直列薄膜圧電共振器１１−１、１１−２が直列に接続されている。第２の導線１７に２個の直列薄膜圧電共振器１１−３、１１−４が直列に接続されている。第１の導線１６と第２の導線１７の間に４個の並列薄膜圧電共振器１２が並列に接続されている。
【０２４０】
第１の導線１６の第１の直列薄膜圧電共振器１１−１と第２の直列薄膜圧電共振器１１−２の間には、制御電圧入力端子１３が接続されている。同様に、第２の導線１７の第３の直列薄膜圧電共振器１１−３と第４の直列薄膜圧電共振器１１−４の間にも、制御電圧入力端子１３が接続されている。便宜上、制御電圧入力端子１３から入力端子１４側のフィルタを第１のフィルタ、制御電圧入力端子１３から出力端子１５側のフィルタを第２のフィルタと以下呼ぶことにする。
【０２４１】
図３２を用いて、この帯域幅可変フィルタの動作原理を説明する。
【０２４２】
図３２（ａ）は、電圧無印加時の第１のフィルタ及び第２のフィルタの通過特性を示したものである。第１のフィルタ及び第２のフィルタは、通過帯域がΔｆだけ重なるように設計されている。
【０２４３】
図３２（ｃ）に示すように、第１のフィルタ及び第２のフィルタを直列に接続した帯域通過フィルタの特性は帯域幅Δｆの帯域通過フィルタ特性を示す。
【０２４４】
次に、図３２（ｂ）に示すように、制御電圧を印加して薄膜圧電共振器の共振周波数を変化させることにより、第１のフィルタの通過域を低周波側にΔｆ'シフトさせ、第２のフィルタの通過域を高周波側にΔｆ'シフトさせる。
【０２４５】
図３２（ｄ）に示すように、帯域通過フィルタの特性は帯域幅がΔｆ＋２Δｆ'になり、２Δｆ'だけ広がることになる。このようにして、外部から加えた制御電圧により帯域幅を可変とすることができる。
【０２４６】
このような構成を実現するには実際には以下のように設計すればよい。第１のフィルタは第２のフィルタよりも低周波側に通過域をもつものとすると、第１のフィルタを構成する４つの薄膜圧電共振器は、第２のフィルタを構成する４つの薄膜圧電共振器よりも電極膜厚を大きくして、共振周波数を低下させなければならない。
【０２４７】
この場合、制御電圧入力端子に正の電圧を印加すると、第１のフィルタを構成する４つの薄膜圧電共振器には分極方向と同じ向きに電界が印加され、逆に第２のフィルタを構成する４つの薄膜圧電共振器には分極方向と逆向きに電界が印加される。従って、制御電圧を印加することで、第１のフィルタが例えば高周波側にシフトしたとすると、このとき第２のフィルタは逆に低周波側にシフトする。また、第１のフィルタが例えば低周波側にシフトしたとすると、このとき第２のフィルタは逆に高周波側にシフトする。つまり、このような構成の回路を作製すれば、制御電圧印加にともなって第１のフィルタと第２のフィルタが逆向きにシフトするため、両者の重なっている部分、すなわち通過帯域が広がったり狭まったりする。
【０２４８】
以上の説明で分かるように、図３１で示したようなフィルタ回路は、図３２で説明した動作原理に基づく帯域幅可変フィルタを作製することができる。この方法では、実質的に一つのフィルタ回路に制御電圧入力端子を付け加えるだけで帯域幅可変フィルタが構成できたので、従来の薄膜圧電共振器を用いたフィルタ回路の設計技術、プロセス技術がともに活用でき、さらに同一の基板上に全て形成可能であることから、極めて小さいフィルタモジュールが実現できた。
【０２４９】
この帯域幅可変フィルタは、例えばマルチキャリア方式を採用しているＣＤＭＡ２０００のように、通常１キャリアあたり１．２５ＭＨｚである帯域幅を、高速性が要求される場合にのみ複数のキャリアを用いて、２．５ＭＨｚや３．７５ＭＨｚの帯域幅に変えるシステムにおいて特に有効である。このような大きな帯域幅の変化を要するシステムでは、可変幅を大きく取れるので有利である。また、通常チャネル幅は数ＭＨｚであり、１０％以上もの結合定数をもつ強誘電体配向膜を圧電体とした薄膜圧電共振器では帯域幅が広すぎて、作製するのが困難であるが、本実施例に見られるような、帯域幅の広いフィルタを二つ直列に接続して帯域幅の狭いフィルタを構成する手法を用いれば、帯域幅の狭い帯域幅可変フィルタが構成できる。
【０２５０】
（実施形態８）
図３３に、本実施形態の可変フィルタの回路図を示す。これは２個の中心周波数可変フィルタの直列接続により実現した回路例である。
【０２５１】
図３３において、帯域幅可変フィルタは、第１の導線１６に２個の直列薄膜共振器１１−１、１１−２が直列に接続されている。第２の導線１７に２個の直列薄膜圧電共振器１１−３、１１−４が直列に接続されている。第１の導線１６と第２の導線１７の間に４個の並列薄膜圧電共振器１２が並列に接続されている。
【０２５２】
第１の導線１６の第１の直列薄膜圧電共振器１１−１と第２の直列薄膜圧電共振器１１−２の間には、制御電圧入力端子１３が接続されている。同様に、第２の導線１７の第３の直列薄膜圧電共振器１１−３と第４の直列薄膜圧電共振器１１−４の間にも、制御電圧入力端子１３が接続されている。
【０２５３】
回路上は図２１の２段の中心周波数可変フィルタと全く同一であるが、以下述べるように、電圧無印加時の通過特性が異なる。
【０２５４】
図３４を用いて、この帯域幅可変フィルタの動作原理を説明する。便宜上、図２２の制御電圧入力端子１３よりも入力端子１４側を第１の中心周波数可変フィルタ、出力端子１５側を第２の中心周波数可変フィルタと呼ぶことにする。
【０２５５】
図３４（ａ）は、電圧無印加時の第１及び第２の中心周波数可変フィルタの通過特性を示したものである。それぞれの通過特性は、帯域幅はほぼ同じであるが、重なっている周波数帯がチャネル一つ分と同じになっている。
【０２５６】
図３４（ｃ）に示すように、第１及び第２の中心周波数可変フィルタを直列に接続した場合に、チャネル一つ分が通過帯域幅となるような帯域通過フィルタが構成できるように調整してある。
【０２５７】
図３４（ｂ）に示すように、このような中心周波数可変フィルタに電圧を印加して、それぞれの通過帯域をΔｆ'だけ高周波側にずらすと、図３４（ｄ）に示すように、通過域のチャネルもΔｆ'だけ高周波側にシフトする。
【０２５８】
通常の方法では、強誘電体のように結合定数の大きい圧電材料では、１チャネルを選択するような帯域幅の狭いフィルタを構成し、かつそれを数チャネル分動かすのは困難であった。なぜならば、強誘電体配向膜のように可変幅が大きい材料は結合定数も大きく、逆に結合定数が小さい材料は可変幅が極めて狭く、中心周波数可変フィルタを作製できないというトレードオフの関係があるからである。
【０２５９】
しかし、本実施形態で説明したような２段の中心周波数可変フィルタを構成すれば、強誘電体のもつ大きなチューナビリティを活かしつつ、帯域幅の狭いチャネルフィルタを作製することができ、実用上の価値は極めて大きい。
【０２６０】
本発明では、直列に接続された複数のフィルタの間に、アイソレータ或いはバッファアンプが接続することができる。こうすることで直列薄膜圧電共振器のフィルタの前段と後段との間で、インピーダンスの不整合に起因する通過特性の低下を抑制することができ、実用上特に利用価値が高い。
【０２６１】
また、可変フィルタを少なくとも２個以上スイッチを介して並列に接続し、スイッチによりフィルタを選択することにより、通過帯域の中心周波数、通過帯域幅、リップル位置或いはリップル形状、ノッチ位置或いは遮断帯域幅、帯域外減衰量、通過損失を可変とすることができる。
【０２６２】
こうすると単一の可変フィルタ或いは複数の可変フィルタの直列接続で実現できる可変範囲よりも、さらに広い可変範囲をもつ特性可変フィルタが得られるという利点がある。
【０２６３】
例えば、挿入損失が少ないが帯域外減衰量も大きくない第１の特性の可変フィルタと、挿入損失は大きいが帯域外減衰量が大きい第２の特性の可変フィルタを並列に接続すれば、妨害波が存在しない場合には第１の可変フィルタを使用し、妨害波が出現した場合には第２の可変フィルタに切り替えて使用することで、フィルタ後段のアンプが飽和するのを避けることが可能となる。
【０２６４】
また、周波数可変チャネル選択フィルタを構成する場合、９００ＭＨｚ帯と２ＧＨｚ帯のチャネル選択フィルタを一つのフィルタ或いは直列に接続された可変フィルタで実現することは困難であるが、別々に構成して並列接続すれば用意に作製可能である。
【０２６５】
また、特に並列された可変フィルタの選択手段として実施形態１で説明したスイッチングフィルタを使用すれば、挿入損失も小さく実用上のメリットは極めて大きい。
【０２６６】
また、可変フィルタに用いる薄膜圧電共振器に使用する強誘電体として、単結晶或いは配向した強誘電体が０．１°以上の配向半値幅を有することが好ましい。
【０２６７】
本来、理想的な強誘電体では、電圧を印加しない場合でも分極が位置方向に揃っているが、適度に欠陥などが導入されていたり、格子定数がばらついたりしていると、電圧を印加しない場合は分極が揃っていない領域が膜中に形成される。このような領域もわずかに電圧を印加すれば分極が揃い、結合定数が大きく変化する。従って、印加電圧に対して材料定数の変化率を大きく取るためには、理想的な単結晶の強誘電体よりもわずかに配向が乱れていたほうが好ましい。
【０２６８】
詳細に実験を行なった結果、Ｘ線回折により得られた配向半値幅が０．１°以上であれば、実用上必要な結合定数の電圧依存性を得ることができる。
【０２６９】
薄膜圧電共振器の圧電体膜としてチタン酸バリウムを用いることが好ましい。
【０２７０】
チタン酸バリウムは、電気機械結合定数が約２０％と大きく、また弾性定数や結合定数の電圧依存性が他の圧電材料に比べて大きく、さらに高周波帯における誘電率も２００以上とＡｌＮやＺｎＯに比べると遥かに大きいため、上述したような特性可変フィルタや小型切り替え式フィルタを構成するのに特に適している。また、ＰＺＴと違い、熱力学的に安定でかつ有害な金属を含まないので、実用上特に有望な材料である。
【０２７１】
【発明の効果】
適当な外部制御手段を用いて通過特性を可変にできる新たな可変フィルタを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明に用いる薄膜バルク弾性波共振器の断面図。
【図２】 本発明に用いる薄膜バルク弾性波共振器の断面図。
【図３】 本発明に用いる薄膜バルク弾性波共振器の断面図。
【図４】 本発明に用いる薄膜バルク弾性波共振器の等価回路。
【図５】 本発明に用いる薄膜バルク弾性波共振器の周波数特性。
【図６】 本発明のスイッチングフィルタの（ａ）回路図及び（ｂ）インピーダンスの絶対値の周波数特性図。
【図７】 本発明のスイッチングフィルタの帯域通過特性図。
【図８】 本発明のスイッチングフィルタの全域阻止特性図。
【図９】 本発明のスイッチングフィルタにおける平衡梯子型フィルタの回路図。
【図１０】 本発明のスイッチングフィルタにおける平衡格子型フィルタの回路図。
【図１１】 本発明のスイッチングフィルタにおける平衡梯子型フィルタの回路図。
【図１２】 本発明のスイッチングフィルタにおける平衡梯子型フィルタの回路図。
【図１３】 本発明のスイッチングフィルタにおける平衡格子型フィルタの回路図。
【図１４】 本発明のスイッチングフィルタにおける平衡格子型フィルタの回路図。
【図１５】 本発明のスイッチングフィルタにおける平衡梯子型フィルタの回路図。
【図１６】 本発明のスイッチングフィルタにおける不平衡梯子型フィルタの回路図。
【図１７】 本発明のスイッチングフィルタにおける不平衡梯子型フィルタの回路図。
【図１８】 本発明に用いる薄膜バルク弾性波共振器の断面図。
【図１９】 本発明の実施形態２に係わる中心周波数可変フィルタの回路図。
【図２０】 本発明の実施形態２に係わる中心周波数可変フィルタの動作原理を説明する図であり、（ａ）及び（ｂ）は共振器のインピーダンス特性、（ｃ）及び（ｄ）は、通過特性。
【図２１】 本発明の実施形態３に係わる帯域幅可変フィルタの回路図。
【図２２】 本発明の実施形態３に係わる帯域幅可変フィルタの動作原理を説明する図であり、（ａ）及び（ｂ）は共振器のインピーダンス特性、（ｃ）及び（ｄ）は、通過特性。
【図２３】 本発明の実施形態４に係わるリップル形状可変フィルタの回路図。
【図２４】 本発明の実施形態４に係わるリップル形状可変フィルタの動作原理を説明する図であり、（ａ）及び（ｂ）は共振器のインピーダンス特性、（ｃ）及び（ｄ）は、通過特性。
【図２５】 本発明の実施形態５に係わる周波数可変帯域遮断フィルタの回路図。
【図２６】 本発明の実施形態５に係わる周波数可変帯域遮断フィルタの動作原理を説明する図であり、（ａ）は回路図、（ｂ）は共振器のインピーダンス特性、（ｃ）は通過特性。
【図２７】 本発明の実施形態６に係わる帯域外減衰量切り替えフィルタのブロック図。
【図２８】 本発明の実施形態６に係わる帯域外減衰量切り替えフィルタを構成するスイッチングフィルタの通過特性。
【図２９】 本発明の実施形態６に係わる帯域外減衰量切り替えフィルタのスイッチングフィルタの回路図。
【図３０】 本発明の実施形態６に係わる帯域外減衰量切り替えフィルタを構成するスイッチングフィルタの動作原理を説明する図であり、（ａ）及び（ｂ）は共振器のインピーダンス特性、（ｃ）及び（ｄ）は、通過特性。
【図３１】 本発明の実施形態７に係わる帯域幅可変フィルタの回路図。
【図３２】 本発明の実施形態８に係わる帯域幅可変フィルタの動作原理を説明する図であり、（ａ）及び（ｂ）は共振器のインピーダンス特性、（ｃ）及び（ｄ）は、通過特性。
【図３３】 本発明の実施形態７に係わるチャネル選択フィルタの回路図。
【図３４】 本発明の実施形態７に係わるチャネル選択フィルタの動作原理を説明する図であり、（ａ）及び（ｂ）は共振器のインピーダンス特性、（ｃ）及び（ｄ）は、通過特性。
【符号の説明】
１・・・第１の電極
２・・・圧電体膜
３・・・第２の電極
４・・・エッチングストッパー層
５・・・単結晶基板
６・・・多層音響反射層
１１・・・直列に接続された薄膜圧電弾性波共振器
１２・・・並列に接続された薄膜圧電弾性波共振器
１３・・・マッチング回路
１４・・・入力ポート
１５・・・出力ポート
１６・・・第１の導線
１７・・・第２の導線
１８・・・高周波遮断用抵抗
１９・・・可変電圧回路接続端子
２１・・・Ｓｉ基板
２２・・・ＳｉＯ２層
２３・・・ＳｒＲｕＯ３犠牲層
２４・・・Ｉｒ下部電極
２５・・・ＢａＴｉＯ３圧電体膜
２６・・・Ｉｒ上部電極
２７・・・ヴィアホール
３０・・・帯域外減衰量切り替えフィルタ
３１・・・信号入力端子
３２・・・信号出力端子
３３・・・第１のスイッチングフィルタ
３４・・・第２のスイッチングフィルタ
３５・・・第３のスイッチングフィルタ
３６・・・第１の制御電圧入力端子
３７・・・第２の制御電圧入力端子
３８・・・第３の制御電圧入力端子
【発明の属する技術分野】
本発明は、可変フィルタに関する。
【０００２】
【従来の技術】
無線通信技術の発達、新方式への切り替えに伴い、複数の送受信システムに対応する通信装置の需要がますます高まっている。複数の送受信システムに対応するためには、通過特性の異なるフィルタをいくつも用いて送受信装置を形成しなくてはならないが、この方法は通信装置の小型化という観点から適切ではない。
【０００３】
そこで適当な外部制御手段を用いてフィルタの通過特性を可変にできる可変フィルタを用いれば、素子数を減らすことができるので通信装置の小型化を図るうえで期待されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上述したように、複数の送受信システムに対応する通信装置の需要が高まりつつあり、通過特性を可変にできる可変フィルタが期待されている。
【０００５】
本発明は、適当な外部制御手段を用いて通過特性を可変にできる新たな可変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】
上記目的を達成するために、本発明は、直列接続の薄膜圧電共振器と、並列接続の薄膜圧電共振器とを組み合わせた可変フィルタにおいて、
前記直列薄膜圧電共振器及び前記並列薄膜圧電共振器の少なくとも一つは共振特性が印加電圧により変化する薄膜圧電共振器であり、この薄膜圧電共振器に印加される電圧により通過特性が制御されることを特徴とする可変フィルタを提供する。
【０００７】
また、本発明は、第１及び第２の入力端子と、
第１及び第２の出力端子と、
前記第１の入力端子及び前記第１の出力端子間或いは前記第２の入力端子及び前記第２の出力端子間に直列接続された薄膜圧電共振器と、
前記第１の入力端子及び前記第２の入力端子との間或いは前記第１の出力端子及び前記第２の出力端子との間に並列接続された薄膜圧電波共振器と、
前記直列薄膜圧電共振器及び前記並列薄膜圧電共振器の少なくとも一つは共振特性が印加電圧により変化する薄膜圧電共振器であり、この薄膜圧電共振器に接続され、電圧を可変にする可変電圧回路とを具備し、
前記可変電圧回路により前記薄膜圧電共振器に印加される電圧を変化させ通過特性が制御されることを特徴とする可変フィルタを提供する。
【０００８】
ここで通過特性とは、フィルタを通過する電磁波の通過周波数帯域の幅や波形形状、阻止帯域の幅や波形形状その他のフィルタ特性のことを言う。
【０００９】
このとき、前記直列薄膜圧電共振器の共振周波数と前記並列薄膜圧電共振器の反共振周波数とを一致させ、前記直列薄膜圧電共振器及び前記並列薄膜圧電共振器の印加電圧を変化させることによって、前記直列薄膜圧電共振器の共振周波数及び前記並列薄膜圧電共振器の反共振周波数とを共に上昇或いは下降させて、通過帯域の中心周波数を制御することができる。
【００１０】
また、前記直列薄膜圧電共振器の共振周波数と前記並列薄膜圧電共振器の反共振周波数とを一致させ、前記直列薄膜圧電共振器或いは前記並列薄膜圧電共振器の印加電圧を変化させることによって、前記直列薄膜圧電共振器の共振周波数及び反共振周波数の間隔或いは前記並列薄膜圧電共振器の共振周波数及び反共振周波数の間隔を変化させて、通過帯域幅を制御することができる。
【００１１】
また、前記直列薄膜圧電共振器の共振周波数と前記並列薄膜圧電共振器の反共振周波数とをほぼ一致させ、前記直列薄膜圧電共振器及び前記並列薄膜圧電共振器の印加電圧を変化させることによって、前記直列薄膜圧電共振器の共振周波数及び前記並列薄膜圧電共振器の反共振周波数の間隔を変化させて、通過帯域のリップル位置或いはリップル形状を制御することができる。
【００１２】
また、前記直列薄膜圧電共振器の反共振周波数と前記並列薄膜圧電共振器の共振周波数とを一致させ、前記直列薄膜圧電共振器及び前記並列薄膜圧電共振器の印加電圧を変化させることによって、前記直列薄膜圧電共振器の反共振周波数及び前記並列薄膜圧電共振器の共振周波数とを共に上昇或いは下降させて、阻止帯域の中心周波数を制御することができる。
【００１３】
また、前記直列薄膜圧電共振器の反共振周波数と前記並列薄膜圧電共振器の共振周波数とを一致させ、前記直列薄膜圧電共振器或いは前記並列薄膜圧電共振器の印加電圧を変化させることによって、前記直列薄膜圧電共振器の共振周波数及び反共振周波数の間隔或いは前記並列薄膜圧電共振器の共振周波数及び反共振周波数の間隔を変化させて、阻止帯域幅を制御することができる。
【００１４】
また、前記直列薄膜圧電共振器或いは前記並列薄膜圧電共振器の印加電圧を変化させることによって、前記直列薄膜圧電共振器の共振周波数と前記並列薄膜圧電共振器の反共振周波数とが一致したときに得られる通過帯域特性及び前記直列薄膜圧電共振器の共振周波数と前記並列薄膜圧電共振器の共振周波数とが一致したときに得られる全域阻止特性とを切り替えることができる。
【００１５】
また、前記可変フィルタを単独或いは組み合わせて少なくとも２個以上直列に接続することができる。
【００１６】
また、前記直列に接続された前記可変フィルタの間にアイソレータ或いはバッファアンプが接続することができる。
【００１７】
また、前記可変フィルタを単独或いは組み合わせて少なくとも２個以上、スイッチを介して並列に接続し、前記スイッチにより前記フィルタを選択することにより、通過特性を制御することができる。
【００１８】
また、前記直列薄膜圧電共振器及び前記並列薄膜圧電共振器は、単結晶或いは配向した強誘電体膜とこれを挟んだ電極とを具備することが好ましい。
【００１９】
また、前記強誘電体膜が０．１°以上の配向半値幅を有することが好ましい。
【００２０】
また、前記強誘電体が、チタン酸バリウムを主成分とすることが好ましい。
【００２１】
また、本発明は、入出力に対して直列に接続された第１の薄膜圧電共振器と、
入出力に対して並列に接続された第２の薄膜圧電共振器と、
前記第１及び第２の薄膜圧電共振器の少なくとも一方の印加電圧を変化させる可変電圧回路と、
前記可変電圧回路の電圧を変化させることによって、前記第１及び第２の薄膜圧電共振器の少なくとも一方の共振特性をシフトさせて、前記薄膜圧電共振器の通過及び遮断周波数帯を切り替えることを特徴とするスイッチングフィルタを提供する。
【００２２】
また、本発明は、第１の入出力端子と、
第２の入出力端子と、
前記第１の入出力端子間に直列に接続された複数の直列薄膜圧電共振器と、
前記第１の入出力端子と前記第２の入出力端子との間に並列に接続された複数の並列薄膜圧電共振器と、
前記直列薄膜圧電共振器と前記並列薄膜圧電共振器の少なくとも一方に電圧を印加することのできる可変電圧回路と、
前記可変電圧回路の電圧を変化させることによって、前記直列薄膜圧電共振器の共振周波数と前記並列薄膜圧電共振器の反共振周波数とが一致したときに得られる帯域通過特性及び前記直列薄膜圧電共振器の共振周波数と前記並列薄膜圧電共振器の共振周波数とが一致したときに得られる全域阻止特性を切り替えることを特徴とするスイッチングフィルタを提供する。
【００２３】
このとき、前記直列薄膜圧電共振器と前記並列薄膜圧電共振器とを用いて多段の梯子型帯域通過フィルタ回路を形成することができる。
【００２４】
前記直列薄膜圧電共振器と前記並列薄膜圧電共振器を用いて多段の格子型帯域通過フィルタ回路を形成することができる。
【００２５】
また、前記薄膜圧電共振器に使用される圧電体膜がチタン酸バリウムを主成分とするペロブスカイト型構造の誘電体からなることが好ましい。
【００２６】
また、本発明は、アンテナと、
前記アンテナに接続され、異なる周波数帯をろ波する複数のスイッチングフィルタと、
前記スイッチングフィルタのそれぞれに接続され、前記異なる周波数帯に対応する複数の周波数処理システムとを具備するマルチバンド対応の無線装置であって、
前記スイッチングフィルタが前記スイッチングフィルタを用いることを特徴とする無線装置を提供する。
【００２７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。なお、本発明は、以下の実施形態に限定されるものではなく種々工夫して用いることができる。
【００２８】
先ず、本発明者らは、可変フィルタを形成するための薄膜圧電共振器の圧電体として、どのような材料を用いればよいかを検討した。その結果、強誘電体膜を用いれば分極が大きな電界依存性をもち、かつ自発分極が生じているため電圧を印加しなくとも圧電性を示し、材料定数が大きな電圧依存性を示すことを見出した。
【００２９】
特に、厚み縦振動を利用した共振を利用するため、分極は膜厚方向に揃っている必要がある。そのためには膜厚方向に配向した強誘電体薄膜が好ましい。また、膜厚方向に配向したエピタキシャル成長した強誘電体薄膜を用いることがより好ましいことが分かった。
【００３０】
また、強誘電体膜の弾性定数と電気機械結合定数（圧電定数）が電界依存性をもつ。このため膜厚方向に配向した強誘電体膜を用いた薄膜圧電共振器でフィルタを形成すると通過特性を電圧で制御できることを初めて見出した。
【００３１】
さらに、チタン酸バリウムやＰＺＴなどの強誘電体は、比誘電率がＡｌＮやＺｎＯなどの圧電体に比べて大きいため、インピーダンス整合を考慮に入れて共振器を設計すると、サイズが小さくできるというメリットがあることが分かった。
【００３２】
以下、実施形態では、圧電体としてチタン酸バリウムやＰＺＴを膜厚方向に配向するようにエピタキシャル成長したものを用いて説明する。
【００３３】
（実施形態１）
本発明者らは、帯域通過特性と全域阻止特性とを切り替えられるスイッチングフィルタについて詳細に検討を行なった。その結果、共振周波数を機械的でなく電気的に切り替える薄膜圧電共振器を用いれば、単純な回路構成で、かつ安価にマルチバンドの相互干渉、送受信信号の相互干渉及び不要ノイズを防止できる小型軽量のスイッチングフィルタを実現できることを見出した。ここで薄膜圧電共振器とは、ＳＡＷデバイスのような表面波を用いた共振器ではなく、薄膜の厚み方向の弾性波も用いた共振、すなわち薄膜をバルクとして膜全体の弾性波を用いた共振を利用した共振器のことである。薄膜圧電共振器として、薄膜バルク弾性波共振器を含む。
【００３４】
薄膜の厚さとしては、共振周波数が１ＧＨｚから２ＧＨｚで、１μｍから２μｍ程度である。今後必要とする共振周波数が高くなると、薄膜の厚さも薄くなっていく。
【００３５】
以下、本発明の原理について詳述する。
【００３６】
図１は、本発明に用いる薄膜圧電共振器の断面図である。
【００３７】
この薄膜圧電共振器は、単結晶基板５上に、エッチングストッパー層４が形成され、このエッチングストッパー層４上に、第１の電極３、圧電体膜２及び第２の電極１からなる共振器構造が形成され、さらに単結晶基板５裏面からエッチングすることによりキャビティ（空洞）１００が形成されたものである。
【００３８】
この薄膜圧電共振器は、圧電体膜２の圧電効果を利用した共振器であり、単結晶基板５の裏面に形成されたキャビティ１００によって、圧電振動のエネルギーが逃げないようにしている。なお、エッチングストッパー層４は、単結晶基板５にキャビティ１００をエッチングにより形成する際のストッパーとして機能するほかに、エッチングストッパー層４上に形成されたエピタキシャル膜の下地層としての機能も有する。
【００３９】
図２は、図１に示す薄膜圧電共振器の別の例を示す断面図であり、第１の電極３と単結晶基板５の間に空隙１１０を設けたものである。
【００４０】
この空隙１１０は、第１の電極３、圧電体膜２及び第２の電極１からなる共振器の圧電振動のエネルギーが逃げないようにするためのものである。
【００４１】
また、図３は、図１に示す薄膜圧電共振器のまた別の例を示す断面図である。この薄膜圧電共振器は、第１の電極３と単結晶基板５の間に、異なる音響インピーダンスを有する層を積層して構成したブラッグ反射鏡６が形成されたものである。
【００４２】
このブラッグ反射鏡６も、第１の電極３、圧電体膜２及び第２の電極１からなる共振器の共振周波数を有する弾性波を反射し、エネルギーを逃さない構造となっている。
【００４３】
このようにして構成された図１、図２或いは図３に示す薄膜圧電共振器は、圧電体膜２の密度、膜厚或いは第１の電極３及び第２の電極１における質量負荷の効果などによって決まる共振周波数及び反共振周波数をもち、一つの共振点付近の電気的特性は、図４のような等価回路で示される。
【００４４】
図４に示すように、この等価回路は、キャパシタンスＣ１、抵抗Ｒ及びインダクタンスＬが直列に接続され、これらにキャパシタンスＣ２が並列に接続されたものである。
【００４５】
次に、図５に、このように接続された等価回路におけるインピーダンスの絶対値の周波数依存性を示す。
【００４６】
図５に示すように、この等価回路すなわち図１乃至図３に示す薄膜圧電共振器は、極小点（共振周波数）及び極大点（反共振周波数）をもつ。
【００４７】
次に、図６にて、このような特性をもつ薄膜圧電共振器を用いたスイッチングフィルタの構造及び特性について説明する。
【００４８】
図６（ａ）は、薄膜圧電共振器を梯子型フィルタ回路に組み合わせたスイッチングフィルタを示すものであり、図６（ｂ）は、フィルタ回路を構成する直列及び並列共振器の共振特性を示す図である。
【００４９】
図６（ａ）に示すように、このスイッチングフィルタは、第１の入出力端子（Ｉｎ１、Ｏｕｔ１）と、第２の入出力端子（Ｉｎ２、Ｏｕｔ２）を有する。第１の入出力端子（Ｉｎ１、Ｏｕｔ１）間には第１の導線２０２が接続され、これに直列に薄膜圧電共振器２００が複数接続されている。
【００５０】
また、第２の入出力端子（Ｉｎ２、Ｏｕｔ２）間には第２の導線２０３が接続され、この第２の導線２０３と第１の導線２０２と並列に薄膜圧電共振器２０１が複数接続されている。
【００５１】
図６（ｂ）は、直列に接続された薄膜圧電共振器２００と並列に接続された薄膜圧電共振器２０１におけるインピーダンスの絶対値の共振周波数特性を示している。
【００５２】
このように直列に接続した薄膜圧電共振器２００と並列に接続された薄膜圧電共振器２０１とは、インピーダンスの絶対値と共振周波数の特性の形はほぼ同じであるが、直列に接続した薄膜圧電共振器２００の方が並列に接続した薄膜圧電共振器２０１よりも周波数が高い方に僅かにシフトしたものを選ぶ。
【００５３】
このとき直列に接続された薄膜圧電共振器２００の共振周波数と並列に接続された薄膜圧電共振器２０１の反共振周波数が一致するようになっている。ここで、薄膜圧電共振器の共振周波数を変えるためには、例えば圧電体膜の膜厚や電極の膜厚を変えるといった方法がある。
【００５４】
図７に、このときの直列に接続された薄膜圧電共振器２００と並列に接続された薄膜圧電共振器２０１の合成された通過特性を示す。
【００５５】
図７に示すように、この合成インピーダンスは、１．７ＧＨｚから１．９ＧＨｚにピークを有する帯域通過特性が得られていることが分かる。この特性によってある周波数帯域を濾波することが可能なフィルタリングが可能となる。
【００５６】
次に、直列に接続した薄膜圧電共振器２００及び並列に接続した薄膜圧電共振器２０１の少なくとも一方に電圧を印加して、直列に接続した薄膜圧電共振器の共振周波数と並列に接続した薄膜圧電共振器の共振周波数とを一致させる。このとき直列に接続した薄膜圧電共振器の反共振周波数と並列に接続した薄膜圧電共振器の反共振周波数も一致することになる。
【００５７】
図８に、このときのフィルタの通過特性を示す。
【００５８】
図８に示すように、このフィルタの通過特性はほぼ全域で阻止特性を示すことが分かる。
【００５９】
このように、本発明では、直列に接続された薄膜圧電共振器２００の共振周波数と並列に接続された薄膜圧電共振器２０１の反共振周波数が一致したときに得られる帯域通過フィルタ特性及び直列に接続された薄膜圧電共振器２００の共振周波数と並列に接続された薄膜圧電共振器２０１の共振周波数とが一致したときに得られる全域阻止特性を、電圧によって切り替え可能とすることによって、簡単な構造のスイッチングフィルタを提供できる。
【００６０】
この例では、初期状態に電圧無印加で直列に接続された薄膜圧電共振器の特性と並列に接続された薄膜圧電共振器の特性がずれている状態を説明したが、初期状態にこれらの特性が一致している状態から電圧を印加することによって、これらの特性がずれている状態にすることも可能である。
【００６１】
また、直列に接続された薄膜圧電共振器２００及び並列に接続された薄膜圧電共振器２０１のいずれか一方に電圧を印加して特性をシフトさせてもいいし、両方に電圧を印加することによって特性をシフトさせてもよい。
【００６２】
このように本発明では、圧電体膜にＤＣバイアスを印加し、分極状態を変化させて、圧電定数及び弾性定数などを変化して共振周波数を変化させることを利用している。このような効果を利用すれば、直列に接続された薄膜圧電共振器２００と並列に接続された薄膜圧電共振器２０１の共振特性を一致させて得られる全域阻止特性と、直列に接続された薄膜圧電共振器２００と並列に接続された薄膜圧電共振器２０１の共振特性をずらすことによって得られる帯域通過特性とをＤＣバイアスのみで切り替えることができるので、簡単な構成によりスイッチングフィルタを提供することができる。
【００６３】
以上では、図６に示した不平衡な（ｕｎｂａｌａｎｃｅｄ）梯子型フィルタを例にとって説明を行なったが、図９に示す平衡な（ｂａｌａｎｃｅｄ）梯子型フィルタ或いは図１０に示すような平衡な格子型フィルタを用いても同様の効果が得られる。
【００６４】
また、スイッチングフィルタを構成する薄膜圧電共振器の段数についても、図６、図９、図１０に記載の段数に限らず、帯域外減衰量を大きくするためにさらに段数を増やしても良いし、通過域での挿入損失を減らすために段数を減らしても良い。その他、本発明の主旨の範囲内であれば、目的に応じてフィルタ回路の構成を変形して用いることができる。
【００６５】
次に、上述した薄膜圧電共振器に印加するＤＣバイアスの印加方式について説明する。
【００６６】
先ず、図９に示したような平衡な梯子型フィルタの並列に接続された薄膜圧電共振器２０１のみに電圧を印加する方式について検討を行なった。
【００６７】
単純に考えると、図９に示した回路の中で並列に接続された薄膜圧電共振器２０１の両端部にのみ可変電圧回路を接続すればよさそうであるが、その場合直列に接続された薄膜圧電共振器２００にも電圧が印加されて、共振特性が変化してしまう。フィルタ特性の通過、阻止を最も効率的に切り替えるためには、並列に接続された薄膜圧電共振器２０１と直列に接続された薄膜圧電共振器２００とに印加される電圧をそれぞれ独立に制御する必要があるので、並列に接続された薄膜圧電共振器２０１に電圧を印加する時に、直列に接続された薄膜圧電共振器２００の特性が変化してしまうのは好ましくない。
【００６８】
これを解決するために、図１１に示すような回路構成を挙げることができる。
【００６９】
図１１に示すように、平衡な梯子型フィルタ回路は、第１の入出力端子（Ｉｎ１、Ｏｕｔ１）と、第２の入出力端子（Ｉｎ２、Ｏｕｔ２）と、第１の入出力端子（Ｉｎ１、Ｏｕｔ２）間を接続した第１の導線２０２と、第２の入出力端子（Ｉｎ１、Ｏｕｔ２）間を接続した第２の導線２０３と、第１の導線２０２に直列に接続された第１から第３の直列に接続された薄膜圧電共振器（２００−１、２００−２、２００−３）と、第２の導線２０３に直列に接続された第４から第６の直列に接続された薄膜圧電共振器（２００−４、２００−５、２００−６）と、第１と第２の直列に接続された薄膜圧電共振器（２００−１、２００−２）との間を一方の端子とし第４と第５の直列に接続された薄膜圧電共振器（２００−４、２００−５）との間をもう一方の端子とする第１の並列に接続された薄膜圧電共振器２０１−１と、第２と第３直列に接続された薄膜圧電共振器（２００−２、２００−３）との間を一方の端子とし第５と第６直列に接続された薄膜圧電共振器（２００−５、２００−６）との間をもう一方の端子とする第２の並列に接続された薄膜圧電共振器２０１−２とから構成され、さらに第１と第２の入出力端子（Ｉｎ１、Ｏｕｔ１、Ｉｎ２、Ｏｕｔ２）にはそれぞれキャパシタンスＣとインダクタンスＬからなるマッチング回路が接続されている。
【００７０】
このような３段の平衡な梯子型フィルタ回路において、二つの並列に接続された薄膜圧電共振器（２０１−１、２０１−２）のみに電圧を印加するためには以下のような回路を接続すればよい。
【００７１】
先ず、第１と第２並列に接続された薄膜圧電共振器（２０１−１、２０１−２）を、第１の導線２０２から第２の導線２０３に向けて電圧が印加された場合にその共振周波数がともに上昇（もしくはともに低下）するように接続する。
【００７２】
次に、第１の直列に接続された薄膜圧電共振器２００−１と第１の入力端子Ｉｎ１との間、第１と第２の直列に接続された薄膜圧電共振器（２００−１、２００−２）の間、第２と第３の直列に接続された薄膜圧電共振器（２００−２、２００−３）の間、そして第３の直列に接続された薄膜圧電共振器２００−３と第１の出力端子Ｏｕｔ１との間に、高周波をカットするための抵抗Ｒを介して、可変電圧回路の一方の端子Ｖ１を接続する。さらに、第４の直列に接続された薄膜圧電共振器２００−４と第２の入力端子Ｉｎ２との間、第４と第５の直列に接続された薄膜圧電共振器（２００−４、２００−５）の間、第５と第６の直列に接続された薄膜圧電共振器（２００−５、２００−６）の間、そして第６の直列に接続された薄膜圧電共振器２００−６と第２の出力端子Ｏｕｔ２との間に、高周波をカットするための抵抗Ｒを介して、可変電圧回路のもう一方の端子Ｖ２を接続する。
【００７３】
上述の電圧印加方式を用いると、直列に接続された薄膜圧電共振器２００の全てに対して可変電圧回路が接続されているので、直列に接続された薄膜圧電共振器２００には電圧が印加されず、並列に接続された薄膜圧電共振器２０１にのみ電圧を印加することが可能である。
【００７４】
また第１と第２の入出力端子（Ｉｎ１、Ｏｕｔ１、Ｉｎ２、Ｏｕｔ２）にはマッチング回路が接続されているため、ポートの外部に対してはＤＣ電圧が印加されることはない。
【００７５】
上述の方式でフィルタ回路の各薄膜圧電共振器と可変電圧回路とを接続すれば、基本的なフィルタ構成を変えることなく、高周波カット用の抵抗体素子のみを付加することで、通常のフィルタ回路にスイッチング機能をもたせることができ、産業上特に有効である。
【００７６】
次に、図１２を用いて、平衡な梯子型フィルタの直列に接続された薄膜圧電共振器２００にのみ電圧を印加する方法を説明する。
【００７７】
図１２に示すように、このスイッチングフィルタは、６つの直列に接続された薄膜圧電共振器２００と２つの並列に接続された薄膜圧電共振器２０１とキャパシタンスＣ及びインダクタンスＬからなるマッチング回路は、図１１に示す平衡な梯子型フィルタ回路の構成と同じである。
【００７８】
可変電圧回路との接続部及び直列に接続された薄膜圧電共振器２００の「向き」、即ち電圧印加に対して共振周波数が上昇する方向のみが図１１の回路と異なり、以下それらの点について説明する。
【００７９】
先ず、第１と第３の直列に接続された薄膜圧電共振器（２００−１、２００−３）を、第１の入力端子Ｉｎ１から第１の出力端子Ｏｕｔ１に向けて電圧が印加された場合にその共振周波数がともに上昇するように接続し、それとは逆に第２の直列に接続された薄膜圧電共振器２００−２は第１の入力端子Ｉｎ１から第１の出力端子Ｏｕｔ１に向けて電圧が印加された場合にその共振周波数が低下するように接続する。
【００８０】
次に、第４と第６の直列に接続された薄膜圧電共振器（２００−４、２００−６）を、第２の入力端子Ｉｎ２から第２の出力端子Ｏｕｔ２に向けて電圧が印加された場合にその共振周波数がともに上昇するように接続し、それとは逆に第５の直列に接続された薄膜圧電共振器２００−５は第２の入力端子Ｉｎ２から第２の出力端子Ｏｕｔ２に向けて電圧が印加された場合にその共振周波数が低下するように接続する。
【００８１】
次に、第１の直列に接続された薄膜圧電共振器２００−１と第１の入力端子Ｉｎ１との間、第２と第３の直列に接続された薄膜圧電共振器（２００−２、２００−３）の間、第４の直列に接続された薄膜圧電共振器２００−４と第２の入力端子Ｉｎ２との間、そして第５と第６の直列に接続された薄膜圧電共振器（２００−５、２００−６）の間に、高周波をカットするための抵抗Ｒを介して、可変電圧回路の一方の端子Ｖ１を接続する。
【００８２】
さらに、第１と第２の直列に接続された薄膜圧電共振器（２００−１、２００−２）の間、第３の直列に接続された薄膜圧電共振器２００−３と第１の出力端子Ｏｕｔ１との間、第４と第５の直列に接続された薄膜圧電共振器（２００−４、２００−５）の間、そして第６の直列に接続された薄膜圧電共振器２００−６と第２の出力端子Ｏｕｔ２との間に、高周波をカットするための抵抗Ｒを介して、可変電圧回路のもう一方の端子Ｖ２を接続する。
【００８３】
上述の電圧印加方式を用いると、並列に接続された薄膜圧電共振器２０１の両端は常に同じ電位となっているため電圧が印加されず、直列に接続された薄膜圧電共振器２００に印加される電圧のみを制御することが可能である。
【００８４】
また第１と第２の入出力端子（Ｉｎ１、Ｏｕｔ１、Ｉｎ２、Ｏｕｔ２）にはキャパシタンスＣ及びインダクタンスＬからなるマッチング回路が接続されているため、ポートの外部に対してはＤＣ電圧が印加されることはない。
【００８５】
次に、図１３に示すような平衡な格子型フィルタの並列薄膜圧電共振器のみに電圧を印加する方式について説明する。
【００８６】
この平衡な格子型フィルタ回路は、第１の入出力端子（Ｉｎ１、Ｏｕｔ１）と、第２の入出力端子（Ｉｎ２、Ｏｕｔ２）と、第１の入出力端子（Ｉｎ１、Ｏｕｔ１）間を接続した第１の導線２０２と、第２の入出力端子間（Ｉｎ２、Ｏｕｔ２）を接続した第２の導線２０３と、第１の導線２０２に直列に接続された第１の薄膜圧電共振器２００−１と、第２の導線２０３に直列に接続された第２の薄膜圧電共振器２００−２と、第１の直列に接続された薄膜圧電共振器２００−１と第１の入力端子Ｉｎ１との間が一方の端子と接続され、第２の直列に接続された薄膜圧電共振器２００−２と第２の出力端子Ｏｕｔ２との間がもう一方の端子と接続された第１の並列に接続された薄膜圧電共振器２０１−１と、第２の直列に接続された薄膜圧電共振器２００−２と第２の入力端子Ｉｎ２との間が一方の端子と接続され、第１の直列に接続された薄膜圧電共振器２００−１と第１の出力端子Ｏｕｔ１との間がもう一方の端子と接続された第２の並列に接続された薄膜圧電共振器２０１−２とから構成され、さらに第１と第２の入出力端子（Ｉｎ１、Ｏｕｔ１、Ｉｎ２、Ｏｕｔ２）にはそれぞれキャパシタンスＣとインダクタンスＬからなるマッチング回路が接続されている。
【００８７】
上述の平衡な格子型フィルタ回路において、二つの並列に接続された薄膜圧電共振器２０１のみに電圧を印加するためには以下のような回路を接続すればよい。
【００８８】
先ず、第１と第２の並列に接続された薄膜圧電共振器（２０１−１、２０１−２）を、第１の導線２０２から第２の導線２０３に向けて電圧が印加された場合にその共振周波数がともに上昇（もしくはともに低下）するように接続する。次に、第１の直列に接続された薄膜圧電共振器２００−１と第１の入力端子Ｉｎ１との間、そして第１の直列に接続された薄膜圧電共振器２００−１と第１の出力端子Ｏｕｔ１との間に、高周波をカットするための抵抗Ｒを介して、可変電圧回路の一方の端子Ｖ１を接続する。
【００８９】
さらに、第２の直列に接続された薄膜圧電共振器２００−２と第２の入力端子Ｉｎ２との間、そして第２の直列に接続された薄膜圧電共振器２００−２と第２の出力端子Ｏｕｔ２との間に、高周波をカットするための抵抗Ｒを介して、可変電圧回路のもう一方の端子Ｖ２を接続する。
【００９０】
上述の電圧印加方式を用いると、直列に接続された薄膜圧電共振器２００の両端は常に同じ電位となっているため電圧が印加されず、並列に接続された薄膜圧電共振器２０１に印加される電圧のみを制御することが可能である。
【００９１】
また、第１と第２の入出力端子（Ｉｎ１、Ｏｕｔ１、Ｉｎ２、Ｏｕｔ２）には、キャパシタンスＣ及びインダクタンスＬからなるマッチング回路が接続されているため、ポートの外部に対してはＤＣ電圧が印加されることはない。
【００９２】
次に、図１４を用いて、平衡な格子型フィルタの直列薄膜圧電共振器にのみ電圧を印加する方法を説明する。
【００９３】
図１４に示すように、このスイッチングフィルタは、２つの直列に接続された薄膜圧電共振器２００と２つの並列に接続された薄膜圧電共振器２０１とキャパシタンスＣ及びインダクタンスＬからなるマッチング回路からなる平衡な格子型フィルタ回路の構成は、図１３と同じである。
【００９４】
可変電圧回路との接続部及び直列に接続された薄膜圧電共振器２００の「向き」、即ち電圧印加に対して共振周波数が上昇する方向のみが図１３の回路と異なり、以下それらの点について説明する。
【００９５】
先ず、第１の直列薄膜圧電共振器２００−１を、第１の入力端子Ｉｎ１から第１の出力端子Ｏｕｔ１に向けて電圧が印加された場合にその共振周波数が上昇するように接続する。次に、第２の直列に接続された薄膜圧電共振器２００−２を、第２の出力端子Ｏｕｔ２から第２の入力端子Ｉｎ２に向けて電圧が印加された場合にその共振周波数が上昇するように接続する。
【００９６】
さらに、第１の直列に接続された薄膜圧電共振器２００−１と第１の入力端子Ｉｎ１との間、そして第２の直列に接続された薄膜圧電共振器２００−２と第２の出力端子Ｏｕｔ２との間に、高周波をカットするための抵抗Ｒを介して、可変電圧回路の一方の端子Ｖ１を接続する。
【００９７】
さらに、第１の直列に接続された薄膜圧電共振器２００−１と第１の出力端子Ｏｕｔ１との間、そして第２の直列に接続された薄膜圧電共振器２００−２と第２の入力端子Ｉｎ２との間に、高周波をカットするための抵抗Ｒを介して、可変電圧回路のもう一方の端子Ｖ２を接続する。
【００９８】
上述の電圧印加方式を用いると、並列に接続された薄膜圧電共振器２０１の両端は常に同じ電位となっているため電圧が印加されず、直列に接続された薄膜圧電共振器２００に印加される電圧のみを制御することが可能である。
【００９９】
また、第１と第２の入出力端子（Ｉｎ１、Ｏｕｔ１、Ｉｎ２、Ｏｕｔ２）にはキャパシタンスＣ及びインダクタンスＬからなるマッチング回路が接続されているため、ポートの外部に対してはＤＣ電圧が印加されることはない。
【０１００】
次に、図１５に示すような不平衡な梯子型フィルタの並列薄膜圧電共振器のみに電圧を印加する方式について説明する。
【０１０１】
図１５に示すように、このスイッチングフィルタは、第１の入出力端子（Ｉｎ１、Ｏｕｔ１）と、第２の入出力端子（Ｉｎ２、Ｏｕｔ２）と、第１の入出力端子（Ｉｎ１、Ｏｕｔ１）間を接続した第１の導線２０２と、第２の入出力端子（Ｉｎ２、Ｏｕｔ２）間を接続した第２の導線２０３と、第１の導線２０２に直列に接続された第１から第３の直列に接続された薄膜圧電共振器（２００−１、２００−２、２００−３）と、第１と第２の直列に接続された薄膜圧電共振器（２００−１、２００−２）との間に一方の端子が接続され、第２の導線２０３にもう一方の端子が接続されている第１の並列に接続された薄膜圧電共振器２０１−１と、第２と第３の直列に接続された薄膜圧電共振器（２００−２、２００−３）との間に一方の端子が接続され、第２の導線２０３にもう一方の端子が接続されている第２の並列に接続された薄膜圧電共振器２０１−２とから構成され、さらに第１の入出力端子（Ｉｎ１、Ｏｕｔ１）にはそれぞれキャパシタンスＣとインダクタンスＬからなるマッチング回路が接続されている。
【０１０２】
図１５の不平衡な梯子型フィルタ回路において、二つの並列に接続された薄膜圧電共振器２０１のみに電圧を印加するためには以下のような回路を接続すればよい。
【０１０３】
先ず、第１と第２の並列に接続された薄膜圧電共振器（２０１−１、２０１−２）を、第１の導線２０２から第２の導線２０３に向けて電圧が印加された場合にその共振周波数がともに上昇（もしくはともに低下）するように接続する。
【０１０４】
次に、第１の直列に接続された薄膜圧電共振器２００−１と第１の入力端子Ｉｎ１との間、第１と第２の直列に接続された薄膜圧電共振器（２００−１、２００−２）の間、第２と第３の直列に接続された薄膜圧電共振器（２００−２、２００−３）の間、そして第３の直列に接続された薄膜圧電共振器２００−３と第１の出力端子Ｏｕｔ１との間に、高周波をカットするための抵抗Ｒを介して、可変電圧回路の一方の端子Ｖ１を接続する。
【０１０５】
さらに、第２の入力端子Ｉｎ２と第２の出力端子Ｏｕｔ２との間に、高周波をカットするための抵抗Ｒを介して、可変電圧回路のもう一方の端子Ｖ２を接続する。
【０１０６】
上述の電圧印加方式を用いると、直列に接続された薄膜圧電共振器２００の両端は常に同じ電位となっているため電圧が印加されず、並列に印加された薄膜圧電共振器２０１に印加される電圧のみを制御することが可能である。
【０１０７】
また、第１の入出力端子（Ｉｎ１、Ｏｕｔ１）には、キャパシタンスＣ及びインダクタンスＬからなるマッチング回路が接続されているため、ポートの外部に対してはＤＣ電圧が印加されることはない。
【０１０８】
次に、図１６を用いて、不平衡な梯子型フィルタの並列薄膜圧電共振器にのみ電圧を印加する方法について説明する。
【０１０９】
図１６に示すように、このスイッチングフィルタは、３つの直列に接続された薄膜圧電共振器２００と２つの並列に接続された薄膜圧電共振器２０１とキャパシタンスＣ及びインダクタンスＬからなるマッチング回路を構成する不平衡な梯子型フィルタ回路は、図１５と同じである。
【０１１０】
可変電圧回路との接続部及び直列に接続された薄膜圧電共振器２００の「向き」、即ち電圧印加に対して共振周波数が上昇する方向、およびＤＣ電圧遮断用の二つのコンデンサのみが図１５の回路と異なり、以下それらの点について説明する。
【０１１１】
先ず、第１と第３の直列薄膜圧電共振器（２００−１、２００−３）を、第１の入力端子Ｉｎ１から第１の出力端子Ｏｕｔ１に向けて電圧が印加された場合にその共振周波数が上昇するように接続する。
【０１１２】
次に、第２の直列に接続された薄膜圧電共振器２００−２を、第１の出力端子Ｏｕｔ１から第１の入力端子Ｉｎ１に向けて電圧が印加された場合にその共振周波数が上昇するように接続する。
【０１１３】
さらにＤＣ電圧を遮断する目的で、第１の並列に接続された薄膜圧電共振器２０１−１と第２の導線２０３との接続部との間に第１のコンデンサＣ１、第２の並列に接続された薄膜圧電共振器２０１−２と第２の導線２０３との接続部との間に第２のコンデンサＣ２を挿入する。
【０１１４】
さらに、第１の直列に接続された薄膜圧電共振器２００−１と第１の入力端子Ｉｎ１との間、第２と第３の直列に接続された薄膜圧電共振器（２００−２、２００−３）の間、さらに第２の並列に接続された薄膜圧電共振器２０１−２と第２のコンデンサＣ２との間に、高周波をカットするための抵抗Ｒを介して、可変電圧回路の一方の端子Ｖ１を接続する。
【０１１５】
さらに、第１と第２の直列に接続された薄膜圧電共振器（２００−１、２００−２）との間、第３の直列に接続された薄膜圧電共振器２００−３と第１の出力端子Ｏｕｔ１との間、そして第１の並列に接続された薄膜圧電共振器２０１−１と第１のコンデンサＣ１との間に高周波をカットするための抵抗Ｒを介して、可変電圧回路のもう一方の端子Ｖ２を接続する。
【０１１６】
上述の電圧印加方式を用いると、並列に接続された薄膜圧電共振器２０１の両端は常に同じ電位となっているため電圧が印加されず、直列に接続された薄膜圧電共振器２００に印加される電圧のみを制御することが可能である。
【０１１７】
また、前記第１の入出力端子（Ｉｎ１、Ｏｕｔ１）には、キャパシタンスＣ及びインダクタンスＬからなるマッチング回路が接続され、第２の導線２０３には第１と第２のコンデンサ（Ｃ１、Ｃ２）が接続されているため、ポートの外部に対してはＤＣ電圧が印加されることはない。
【０１１８】
また、本発明による薄膜圧電共振器に用いる圧電体材料としては、ＡｌＮ、ＺｎＯ、ＰｂＴｉＯ３、ＢａＴｉＯ３、Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ３（ＰＺＴ）などが適しているが、誘電率が大きい材料ほどインピーダンスマッチングを取るために必要な電極面積が小さくて済むため、小型軽量化に有利である。中でも、わずかな電圧印加で大きく共振周波数が変化するＢａＴｉＯ３が好ましい。
【０１１９】
図１７に複数の薄膜圧電共振器から構成されるスイッチングフィルタの一つの好ましい実施例の回路図を示した。
【０１２０】
この回路は不平衡な２．５段の梯子型フィルタ回路であり、３つの直列に接続された薄膜圧電共振器１１と２つの並列に接続された薄膜圧電共振器１２とからなる。直列に接続された薄膜圧電共振器１１の全ての電極と、第２の導線１７との間には可変電圧回路が接続されており、任意の方向に電圧を印加することができる構成となっている。可変電圧回路と第１の導線１６及び第２の導線１７との間には高周波成分を遮断する目的で薄膜抵抗体からなる抵抗１８が接続されている。
【０１２１】
この抵抗の大きさは、薄膜圧電共振器のインピーダンスの絶対値が最も大きくなる反共振周波数におけるインピーダンスの最大値に対して、５００倍〜１０００倍以上の値であれば良く、典型的には数百ｋΩ〜数ＭΩといった値となる。この抵抗値が大きすぎると、薄膜圧電共振器のキャパシタンスと抵抗値とで決まるＣＲ時定数が大きくなり、スイッチングに要する時間が長くなる。また、フィルタ回路の出入力端子にはマッチング回路１５が接続されており、特性インピーダンスが想定されるシステムに必要な値に調整されている。
【０１２２】
直列及び並列の薄膜圧電共振器（１１、１２）は全て同一の材料、構造で形成されており、電圧印加しない場合には図８に示すような遮断特性を示す。一方で、並列に接続された薄膜圧電共振器１２に対して、共振周波数が低下する方向にＤＣバイアスを印加して、並列に接続された薄膜圧電共振器１２の反共振周波数と直列に接続された薄膜圧電共振器１1の共振周波数とが等しくなると、その周波数を中心周波数とする帯域通過フィルタの特性を示すようになる。
【０１２３】
以上のようなフィルタを構成するための薄膜圧電共振器は例えば以下のようにして製造される。
【０１２４】
先ず、図１８に示すように、Ｓｉ基板２１を既知の酸化手法によって酸化し、ＳｉＯ２層２２を厚さ６００ｎｍ形成する。この上部にＳｒＲｕＯ３からなる空洞化のための犠牲層２３をスパッタ法により厚さ３００ｎｍ成膜する。成膜条件は、基板温度４５０℃、ＲＦパワー３００Ｗとし、４インチセラミックターゲットを用いてアルゴン及び酸素（Ａｒ＋Ｏ２）雰囲気中とした。
【０１２５】
次に、ＳｒＲｕＯ３犠牲層２３をパターニングし、硝酸セリウムアンモニウム溶液を主成分とするエッチャントにより加工した。さらにこの上部に、第１のＩｒからなる電極２４を同じくスパッタ法により厚さ１００ｎｍ形成し、パターニング後Ａｒミリング加工を行った。
【０１２６】
次に、スパッタ法によりＢａＴｉＯ３からなる圧電体膜２５を成膜した。成膜条件は、基板温度４５０℃、ＲＦパワー３００Ｗとし、成膜速度を稼ぐため複数のターゲットを使用した。なお、成膜雰囲気はアルゴン及び酸素（Ａｒ＋Ｏ２）雰囲気である。圧電体膜２５の膜厚は８００ｎｍとした。
【０１２７】
次に、圧電体膜２５をパターニング後、過酸化水素水を主成分とするエッチャントによりウェットエッチングを行った。次に、Ｉｒからなる第２の電極２６を第１の電極２４と同一の成膜条件により厚さ１００ｎｍ成膜した。
【０１２８】
次に、第２の電極２６をパターニングしたあとＡｒミリングで加工した。すべての層の成膜が終了した後、加工により形成されていたヴィアホール２７を通じて犠牲層ＳｒＲｕＯ３２３を、硝酸セリウムアンモニウム溶液を主成分とするエッチャントにより溶解し、空洞化処理を行った。
【０１２９】
このように作成された薄膜圧電共振器の電気特性を、ネットワークアナライザを用いて測定したところ、２ＧＨｚ近傍に共振、反共振周波数をもち、電気機械結合定数は約１７％、Ｑ値は８００であった。
【０１３０】
上述のようにして作成された薄膜圧電共振器を、同一のＳｉ基板上に多数作成し、その他薄膜抵抗やマッチング回路用コンデンサ、インダクタも同じ基板上にすべて薄膜技術を用いて形成した。
【０１３１】
これら薄膜素子を配線で図１７に示すスイッチングフィルタ回路となるように接続した。これらの薄膜圧電共振器は、並列、直列ともに同一の構造をもつため、ＤＣバイアスを印加しない場合は図８に示す全域阻止特性を示した。一方、並列に接続された薄膜圧電共振器１２にのみＤＣバイアスを印加して、共振周波数を低下させると、図７に示す帯域通過特性を示した。
【０１３２】
印加したＤＣバイアスは２．５Ｖのとき最も特性の良好な帯域通過フィルタ特性を示した。
【０１３３】
次に、アンテナを準備し、このアンテナに、上記スイッチングフィルタを複数接続する。このときそれぞれのスイッチングフィルタは、異なる周波数帯をろ波する特性となるようにする。次に、これらスイッチングフィルタのそれぞれに異なる周波数帯に対応する複数の周波数処理システムとを接続して、マルチバンド対応の無線装置を作製した。
【０１３４】
このようにして作製したマルチバンド無線装置では、通過域における減衰量は従来のアンテナスイッチを介した場合よりも平均で１．５ｄＢほど少なかった。
【０１３５】
このように、可変電圧回路という容易な構造によって、帯域通過特性と全域阻止特性とを切り替えることができるため、マルチバンドにおける相互干渉、送受信信号の相互干渉、不要ノイズを防止できる。
【０１３６】
（実施形態２）
本実施形態では、中心周波数を可変する可変フィルタを説明する。
【０１３７】
本実施形態においても薄膜圧電共振器は、実施形態１で説明したものと同一の工程により作製することができる。
【０１３８】
本実施形態の可変フィルタは、電圧無印加時には、直列薄膜圧電共振器の共振周波数と並列薄膜圧電共振器の反共振周波数を一致させる。このときある周波数を通過する帯域特性を持つ。次に、制御電圧を印加することにより、直列薄膜圧電共振器の共振周波数と、並列薄膜圧電共振器の反共振周波数を共に上昇或いは共に降下することにより、通過帯域の中心周波数を可変にすることができる。
【０１３９】
また、電圧印加時に直列薄膜圧電共振器の共振周波数と並列薄膜圧電共振器の反共振周波数を一致させる。このときある周波数を通過する帯域特性を持つ。次に、制御電圧を変化する或いは無印加にすることにより、直列薄膜圧電共振器の共振周波数と、並列薄膜圧電共振器の反共振周波数を共に上昇或いは共に降下することにより、通過帯域の中心周波数を可変にすることができる。
【０１４０】
通常、複数のシステムを一つの端末に載せたマルチバンド対応の移動体通信用の携帯端末では、帯域が異なるシステム毎に受信系を用意しなければならないが、本実施形態の中心周波数が可変の帯域通過フィルタを用いれば、一つのフィルタ回路だけでマルチバンド対応の移動体通信用の携帯端末を形成できる。
【０１４１】
図１９に、本実施形態に関わる中心周波数を可変する可変フィルタを、平衡な格子型フィルタで構成した場合の具体的な回路図を示す。
【０１４２】
図１９に示すように、この中心周波数可変フィルタは、第１の導線１６上に、直列薄膜圧電共振器１１が直列に接続されている。第２の導線１７上に、直列薄膜圧電共振器１１が直列に接続されている。第１の導線１６及び第２の導線１７の間に２個の並列薄膜圧電共振器１２が並列に接続されている。
【０１４３】
第１の導線１６において、入力端子１４と直列薄膜圧電共振器１１の間には、制御電圧入力端子１３が接続されている。同様に、第２の導線１７において、入力端子１４と直列薄膜圧電共振器１１の間には、制御電圧入力端子１３が接続されている。
【０１４４】
この中心周波数可変フィルタの動作原理を、図２０を用いて説明する。
【０１４５】
図２０（ａ）は電圧無印加時の直列薄膜圧電共振器１１及び並列薄膜圧電共振器１２の共振特性を示す。
【０１４６】
図２０（ａ）に示すように、直列薄膜圧電共振器１１の共振周波数（下側のピーク位置）と並列薄膜圧電共振器１２の反共振周波数（上側のピーク位置）が一致するように組み合わせている。
【０１４７】
図２０（ｃ）は、この電圧無印加時のフィルタの通過特性である。
【０１４８】
図２０（ｃ）に示すように、電圧無印加時には、中心周波数がｆ０の帯域通過フィルタ特性を示している。
【０１４９】
次に、図１９の回路において、制御電圧入力端子１３に負の電圧を印加する。直列薄膜圧電共振器１１及び並列薄膜圧電共振器１２の全てに対して同一の電圧が印加され、その向きは分極方向と逆向きである。また、正の電圧を印加した場合は、直列薄膜圧電共振器１１及び並列薄膜圧電共振器１２の全てに対して同一の電圧が印加され、その向きは分極方向と同じ向きである。
【０１５０】
図２０（ｂ）に示すように、電圧印加に伴い弾性定数が増加すると、直列薄膜圧電共振器１１及び並列薄膜圧電共振器１２の共振周波数はいずれもΔｆだけ上昇する。ここで直列薄膜圧電共振器１１の共振周波数と並列薄膜圧電共振器１２の反共振周波数は一致したまま移動するように電圧を制御する。
【０１５１】
こうすることで図２０（ｄ）に示すように、中心周波数がｆ０＋Δｆの帯域通過特性を示すフィルタとなる。すなわち電圧印加後のフィルタの通過帯域は、電圧無印加時よりも高周波側にΔｆシフトする。
【０１５２】
典型的には、直列薄膜圧電共振器１１及び並列薄膜圧電共振器１２に、１μｍの厚さのチタン酸バリウム薄膜を用いて、これに３Ｖの電圧を加えると、２％程度の共振周波数の変化率が得られる。
【０１５３】
本実施形態では、図１９に示す中心周波数可変フィルタは、例えばＧＳＭ１．８ＧとＧＳＭ１．９Ｇのように使用周波数帯が比較的近いシステムのＲＦのトップフィルタとして用いることができる。
【０１５４】
従来では、二つのＲＦフィルタが必要であるのが、周波数可変フィルタを用いればもともとサイズが小さい薄膜圧電共振器を用いたフィルタ一つで済むため、受動回路の大幅な小型化が実現でき、その有用性は極めて大きい。
【０１５５】
（実施形態３）
本実施形態では、通過周波数帯域の幅を可変する帯域幅可変フィルタを説明する。本実施形態においても薄膜圧電共振器は、実施形態１で説明したものと同一の工程により作製することができる。
【０１５６】
本実施形態の可変フィルタは、例えば電圧無印加時には、直列薄膜圧電共振器の共振周波数と並列薄膜圧電共振器の反共振周波数を一致するように構成しておく。次に、直列薄膜圧電共振器及び並列薄膜圧電共振器の少なくとも一方に制御電圧を印加することで、共振周波数と反共振周波数の間隔を変えることができる。このとき、直列薄膜圧電共振器の共振周波数と並列薄膜圧電共振器の反共振周波数がほぼ一致したままであれば、フィルタの中心周波数を動かさずに帯域幅だけを可変とすることが可能になる。
【０１５７】
電圧の印加する向きとして、強誘電体薄膜の分極が増加する向きを選べば、強誘電体薄膜の電気機械結合定数が増加し、その結果共振周波数と反共振周波数の間隔は広がる。従って、帯域通過フィルタの通過帯域幅を大きくすることが可能となる。
【０１５８】
なお、分極を大きくする向きに電圧を印加すると、弾性定数も変化し共振周波数が変化してしまう。従って、帯域幅が変化すると同時にフィルタの中心周波数も変化してしまう。
【０１５９】
このような場合は、例えば弾性定数の電圧依存性が圧電定数の電圧依存性に比べて小さい強誘電体材料を用いればよい。その一例として、例えば、若干配向に乱れをもつような強誘電体膜を用いることが好ましい。また、強誘電体膜はエピタキシャル成長した膜を使用することが好ましい。
【０１６０】
こうすることで分極方向が多少乱れている場合、電圧を印加して分極が揃った場合の圧電性の変化が非常に大きく、周波数変化が無視できる電圧範囲で帯域幅を可変とすることが可能になる。
【０１６１】
図２１に、本実施形態に関わる通過周波数帯域の幅を可変する帯域幅可変フィルタを説明する。
【０１６２】
図２１に示すように、この帯域幅可変フィルタは、第１の導線１６に２個の直列薄膜圧電共振器１１−１、１１−２が直列に接続されている。第２の導線１７に２個の直列薄膜圧電共振器１１−３、１１−４が接続されている。第１の導線１６と第２の導線１７の間に４個の並列薄膜圧電共振器１２が接続されている。
【０１６３】
直列薄膜圧電共振器１１−１及び直列薄膜圧電共振器１１−２の間には、制御電圧入力端子１３が接続されている。同様に、直列薄膜圧電共振器１１−３及び直列薄膜圧電共振器１１−４の間にも、制御電圧入力端子１３が接続されている。
【０１６４】
この帯域幅可変フィルタの動作原理を、図２２を用いて説明する。
【０１６５】
図２２（ａ）は電圧無印加時の直列薄膜圧電共振器１１及び並列薄膜圧電共振器１２の共振特性を示す。
【０１６６】
図２２（ａ）に示すように、直列薄膜圧電共振器１１の共振周波数（下側のピーク位置）と並列薄膜圧電共振器１２の反共振周波数（上側のピーク位置）が一致するように組み合わせている。このとき直列薄膜圧電共振器１１の反共振周波数のピーク位置と並列薄膜圧電共振器１２の反共振周波数のピーク位置の間隔はΔｆ／２である。
【０１６７】
図２２（ｃ）は、この電圧無印加時のフィルタの通過特性である。
【０１６８】
図２２（ｃ）に示すように、電圧無印加時には、通過帯域幅がΔｆの帯域通過フィルタ特性を示している。
【０１６９】
次に、図２１の回路において、制御電圧入力端子１３に電圧を印加する。直列薄膜圧電共振器１１及び並列薄膜圧電共振器１２の全てに対して同一の電圧が印加され、その向きは強誘電体の分極方向と同じ向きである。
【０１７０】
強誘電体膜は、電極無印加時には若干のばらつきをもっていた分極が、全て同一の方向を向くようになり、結合定数が増加する。
【０１７１】
したがって図２２（ｂ）に示すように、直列薄膜圧電共振器１１及び並列薄膜圧電共振器１２の反共振周波数の間隔が広がる。この場合直列薄膜圧電共振器１１及び並列薄膜圧電共振器１２の共振周波数の間隔も広がっている。ここで直列薄膜圧電共振器１１の共振周波数と並列薄膜圧電共振器１２の反共振周波数は一致したまま移動するように制御する。
【０１７２】
この場合、共振周波数も変化してしまうが、分極がわずかに乱れた強誘電体配向膜を圧電体膜として用いることで、共振周波数の電圧依存性よりも結合定数の電圧依存性の方がはるかに大きくなるので、実質的に問題は生じない。
【０１７３】
こうすることで図２２（ｄ）に示すように、通過する周波数帯幅がΔｆ＋Δｆ'の帯域通過特性を示すフィルタとなる。すなわち電圧印加後のフィルタの通過帯域は、電圧無印加時よりもΔｆ'だけ広がることになる。
【０１７４】
このようにしてフィルタ回路を構成したところ、制御電圧で通過帯域幅を可変にできる帯域通過フィルタを構成することができた。このようにして構成された帯域幅可変フィルタは、使用帯域幅の異なる複数のシステムを切り替えることや、情報量に応じて帯域幅を変えて対応するシステム（ＣＤＭＡ２０００など）で使用することが可能である。
【０１７５】
このように、同一のフィルタ回路で帯域幅を可変にすることができれば、伝送する情報量に応じてチャネルの周波数帯域幅を変えるという今後の移動体通信で必須とされるフィルタ機能が一つの回路で実現できることになり、実用上極めて有用である。
【０１７６】
（実施形態４）
本実施形態では、通過帯域内のリップル形状やリップル位置を可変する可変フィルタを説明する。本実施形態においても薄膜圧電共振器は、実施形態１で説明したものと同一の工程により作製することができる。
【０１７７】
本実施形態の可変フィルタは、電圧無印加時には、直列薄膜圧電共振器の共振周波数と並列薄膜圧電共振器の反共振周波数を一致させる。このときある周波数を通過する帯域特性を持つ。次に、直列薄膜圧電共振器及び並列薄膜圧電共振器の少なくとも一方に制御電圧を印加することで、直列薄膜圧電共振器の共振周波数と並列薄膜圧電共振器の反共振周波数の間隔を変化させることにより、通過帯域内のリップルの位置や形状を可変とすることができる。
【０１７８】
また、電圧印加時には、直列薄膜圧電共振器の共振周波数と並列薄膜圧電共振器の反共振周波数を一致させる。このときある周波数を通過する帯域特性を持つ。次に、直列薄膜圧電共振器及び並列薄膜圧電共振器の少なくとも一方に制御電圧を変化或いは無印加にすることで、直列薄膜圧電共振器の共振周波数と並列薄膜圧電共振器の反共振周波数の間隔を変化させることにより、通過帯域内のリップルの位置や形状を可変とすることができる。
【０１７９】
こうすることで、例えば、通過帯域内にリップルが存在し、部分的にシステム要求よりも挿入損失が大きい帯域が存在したとしても、通過帯域内の使用チャネルだけは挿入損失が小さくなるように薄膜圧電共振器に電圧を印加して強誘電体を使用した直列薄膜圧電共振器の共振周波数と並列薄膜圧電共振器の反共振周波数をずらし、また別のチャネルを用いて通信を行なうときには該当するチャネルの挿入損失が小さくなるようなリップル形状になるように制御電圧を変化させるので、多少のリップルが存在してもフィルタとして使用可能になる。
【０１８０】
このような可変フィルタは、フィルタの可変特性を向上させるような材料を選択すると、フィルタの挿入損失が若干大きくなる場合があるが、リップル位置や形状を可変とすることで、従来は適用が難しいと考えられていた材料でも可変性を活かしたフィルタとして利用することが可能になり、材料選択の幅が広がるというメリットが得られる。また、挿入損失を小さくできる材料を用いても、リップルのないフィルタを構成した場合の最小挿入損失よりも、リップルの存在を許容しても使用チャネルだけは挿入損失が小さくなるように共振器を組み合わせる方が、最小挿入損失は小さくできるという利点がある。
【０１８１】
図２３に、本実施形態に関わるリップル形状やリップル位置を可変にする可変フィルタを説明する。
【０１８２】
図２３に示すように、この可変フィルタは、第１の導線１６に３個の直列薄膜圧電共振器１１が直列に接続されている。第１の導線１６と第２の導線１７の間に２個の並列薄膜圧電共振器１２が接続されている。
【０１８３】
第１の導線１６の直列薄膜圧電共振器１１の全ての電極に制御電圧入力端子１３−１が抵抗１８を介して接続されている。
【０１８４】
制御電圧は並列薄膜圧電共振器１２にのみ印加され、直列薄膜圧電共振器１１には電圧が印加されないようになっている。
【０１８５】
このリップル形状やリップル位置を可変にする可変フィルタの動作原理を、図２４を用いて説明する。
【０１８６】
図２４（ａ）は電圧無印加時の直列薄膜圧電共振器１１及び並列薄膜圧電共振器１２の共振特性を示す。
【０１８７】
図２４（ａ）に示すように、直列薄膜圧電共振器１１の共振周波数（下側のピーク位置）と並列薄膜圧電共振器１２の反共振周波数（上側のピーク位置）が一致するように組み合わせている。
【０１８８】
図２４（ｃ）は、この電圧無印加時のフィルタの通過特性である。
【０１８９】
図２４（ｃ）に示すように、電圧無印加時には、リップルのない帯域通過フィルタ特性を示している。この場合帯域の中心にもっとも挿入損失の小さい領域が存在し、真中の２本のｃｈ２及びｃｈ３が通過する。
【０１９０】
次に、図２３の回路において、制御電圧入力端子１３に電圧を印加する。
【０１９１】
こうすると図２４（ｂ）に示すように、直列薄膜圧電共振器１１の共振周波数と並列薄膜圧電共振器１２の反共振周波数を僅かにずらす。
【０１９２】
すると図２４（ｄ）のように、通過周波数の端の位置にリップルが存在する特性となる。
【０１９３】
このように並列薄膜圧電共振器１２の反共振周波数と直列薄膜圧電共振器１１の共振周波数において挿入損失が極小となる通過特性をもつフィルタが構成できる。
【０１９４】
例えば、このリップル可変帯域通過フィルタの通過帯域内に４個のチャネルが存在する場合、図２４（ｃ）のような特性を示すときは４個のチャネルのうち真中の二つの帯域のチャネル（ｃｈ２とｃｈ３）が使用でき、図２４（ｄ）のような特性を示すときは４個のチャネルのうち上下二つの帯域のチャネル（ｃｈ１とｃｈ４）が使用できる。
【０１９５】
このようにしてリップル形状可変帯域通過フィルタ回路を構成したところ、リップルが存在せず、使用チャネルの全てに対して常に挿入損失が要求の値以下である帯域通過フィルタを作るよりは、多少のリップルがあったとしても、使用しているチャネルだけは挿入損失が少なくなるようなリップル形状になる可変フィルタの方が、使用チャネルの挿入損失を小さく抑えることができ、またある程度の特性のばらつきを電圧制御により抑えることが可能になるので、実用上そのメリットは大きい。
【０１９６】
（実施形態５）
本実施形態では、遮断周波数やその帯域幅を可変とする帯域遮断フィルタを説明する。本実施形態においても薄膜圧電共振器は、実施形態１で説明したものと同一の工程により作製することができる。
【０１９７】
この帯域遮断フィルタは、電荷無印加時に、直列薄膜圧電共振器の反共振周波数と、並列薄膜圧電共振器の共振周波数とを一致させている。このときはある周波数帯を遮断する遮断フィルタとなっている。
【０１９８】
次に、電圧を印加することによって、直列薄膜圧電共振器の共振周波数及び反共振周波数と、並列薄膜圧電共振器の共振周波数及び反共振周波数が、共に上昇或いは共に降下することにより、阻止帯域の中心周波数が可変となる。
【０１９９】
電圧印加時に直列薄膜圧電共振器の反共振周波数と、並列薄膜圧電共振器の共振周波数とを一致させ、電圧を変化或いは無印加にして、直列薄膜圧電共振器の共振周波数及び反共振周波数と、並列薄膜圧電共振器の共振周波数及び反共振周波数が、共に上昇或いは共に降下してもよい。
【０２００】
また、電圧を印加することによって、直列薄膜圧電共振器の共振周波数と反共振周波数の間隔及び並列薄膜圧電共振器の共振周波数と反共振周波数の間隔を変化させることにより、通過帯域幅を可変とする。
【０２０１】
このような構成を用いると、キャパシタンスの大きい方を直列薄膜圧電共振器として、キャパシタンスの小さい方を並列薄膜圧電共振器として用いることで、電圧を印加して直列薄膜圧電共振器の共振周波数と並列薄膜圧電共振器の反共振周波数をともに上昇させれば中心周波数も上昇し、電圧を印加して直列薄膜圧電共振器の共振周波数と並列薄膜圧電共振器の反共振周波数をともに低下させれば中心周波数も低下するため、遮断周波数を可変とする帯域通過フィルタを構成することができる。
【０２０２】
また、強誘電体薄膜の分極が増加する向きに電圧を印加して、その結果強誘電体薄膜の電気機械結合定数が増加すると、直列もしくは並列薄膜圧電共振器の共振−反共振周波数の間隔が広がるので、帯域遮断フィルタの遮断帯域幅を大きくすることが可能となる。
【０２０３】
帯域外の妨害波の周波数が変化した場合や、妨害波の存在する周波数範囲が変化した場合にも、単一のノッチフィルタ回路構成で妨害波を除くことができ、フィルタ回路の小型化に特に有利である。
【０２０４】
図２５は、実施形態５に係わる遮断周波数可変フィルタを不平衡な梯子型フィルタで構成した場合の回路例である。
【０２０５】
図２５において、遮断周波数可変フィルタは、第１の導線１６に２個の直列薄膜圧電共振器１１が直列に接続されている。第１の導線１６と第２の導線１７の間に１個の並列圧電共振器１２が並列に接続されている。直列薄膜圧電共振器１１の間に制御電圧入力端子１３−１が接続されている。
【０２０６】
こうすることで、制御電圧を直列薄膜圧電共振器１１及び並列薄膜圧電共振器１２に等しく印加することが可能となる。
【０２０７】
図２６に、この遮断周波数可変フィルタの構成を示す。
【０２０８】
図２６（ａ）に示すように、この可変フィルタは、直列薄膜圧電共振器１１に共振周波数が低く、インピーダンスが小さいもの、並列薄膜圧電共振器１２には共振周波数が高く、インピーダンスが大きいものを用いる。
【０２０９】
図２６（ｂ）に示すように、直列薄膜圧電共振器１１の反共振周波数と、並列薄膜圧電共振器１２の共振周波数が一致している。
【０２１０】
図２６（ｃ）に示すように、直列薄膜圧電共振器１１の反共振周波数と並列薄膜共振器１２の共振周波数が一致するようにすれば、この一致する周波数の位置が遮断周波数となる帯域遮断特性が得られる。
【０２１１】
さらに、直列薄膜圧電共振器１１と並列薄膜圧電共振器１２が同じ方向に共振周波数がシフトするように制御電圧を印加すれば、遮断周波数が可変となる帯域遮断フィルタを構成することができる。
【０２１２】
このようにして遮断周波数可変フィルタ回路を構成し、さらに帯域通過フィルタを同じ強誘電体配向膜からなる薄膜圧電共振器で同一基板上に形成し、直列に接続したところ、所望波を通過させ、妨害波を除去するとともに、妨害波の周波数帯が多少変動しても、変動を検知して適当な制御電圧を遮断周波数可変フィルタに印加する回路を付加することで、妨害波が変動してもフィルタ後段のアンプが飽和することなく動作させることができた。
【０２１３】
また、ノッチ位置可変ノッチフィルタ回路を使用することにより、例えばＷ−ＣＤＭＡの受信帯域である２１１０〜２１７０ＭＨｚ帯の前後にＰＨＳ（１９００ＭＨｚ前後）、無線ＬＡＮ（２．４ＭＨｚ）の帯域が存在しているので、これらの妨害波の位置に遮断周波数を合わせ、また妨害波のチャネルが変わった時にも遮断周波数を動かして妨害波に追随させる、といった動作が可能になった。
【０２１４】
（実施形態６）
本実施形態は、帯域通過特性と全域遮断特性とを電圧制御で切り替えることのできるスイッチングフィルタに関するものである。本実施形態においても薄膜圧電共振器は、実施形態１で説明したものと同一の工程により作製することができる。
【０２１５】
このスイッチングフィルタは、直列薄膜圧電共振器の共振周波数と並列薄膜圧電共振器の反共振周波数とが一致したときに得られる帯域通過特性と、直列薄膜圧電共振器の共振周波数と並列薄膜圧電共振器の共振周波数とが一致したときに得られる全域阻止特性とを、直列薄膜圧電共振器或いは並列薄膜圧電共振器の少なくとも一方に前記制御電圧を印加することにより切り替え可能である。
【０２１６】
このような構成を用いると、直列薄膜圧電共振器の共振周波数と、並列薄膜圧電共振器の反共振周波数とが一致したときに得られる帯域通過特性と、前記強誘電体を使用した直列薄膜圧電共振器の共振周波数と、並列薄膜圧電共振器の共振周波数とが一致したときに得られる全域阻止特性とを、制御電圧だけで切り替えることができる。ここで、フィルタは常時接続されており、使用されているシステムに対応するフィルタのみ通過特性を示し、それ以外のフィルタは全域阻止特性を示すため、ＰＩＮダイオードのように切り替えのために挿入されたスイッチング素子で生じる損失がなく、挿入損失の少ないフィルタが構成できるとともに、オンオフの動作が能動素子を含まないため、受動素子を集積したモジュールのみを使用すればよく、極めて小さい面積で切り替え手段が実現できるという実用上大きな利点がある。
【０２１７】
図２７は、本実施形態に係わる帯域外減衰量切り替えフィルタを、スイッチングフィルタを用いて構成したブロック図を示す。
【０２１８】
この帯域外減衰量切り替えフィルタは３つのスイッチングフィルタを具備し、それらは常時接続されている。
【０２１９】
図２８に示すように、この３つのスイッチングフィルタは、例えばフィルタの段数を変えるなどの方法により、それぞれ帯域外減衰量が異なる値となっている。
【０２２０】
図２９に、帯域外減衰量ならびに挿入損失が最も小さい第１のスイッチングフィルタ回路例を示す。
【０２２１】
図２９は、平衡な格子型フィルタからスイッチングフィルタを構成した例で、第１の導線１６及び第２の導線１７にそれぞれ１個ずつの直列薄膜圧電共振器１１が直列に接続されている。第１の導線１６と第２の導線１７の間に２個の並列薄膜圧電共振器１２が並列に接続されている。第１の導線１６の直列薄膜圧電共振器１１の両端の電極には制御電圧入力端子１３が抵抗１８を介して接続されている。こうすることで、制御電圧は並列薄膜圧電共振器１２にのみ印加され、直列薄膜圧電共振器には電圧が印加されないようになっている。
【０２２２】
次に、図３０を用いて、このスイッチングフィルタの動作原理を説明する。
【０２２３】
図３０（ａ）は、並列薄膜圧電共振器１２の反共振周波数と直列薄膜圧電共振器１１の共振周波数を一致させた場合のそれぞれの共振特性である。
【０２２４】
図３０（ｃ）に示すように、このときのフィルタの特性は、帯域通過フィルタ特性を示す（スイッチ“オン"に対応）。
【０２２５】
次に、図２９の回路の制御電圧入力端子１３に＋Ｖの電圧を印加すると、２個の並列薄膜圧電共振器１２にのみ電圧が印加される。例えば電圧印加に伴い弾性定数が増加したとすると、二つの並列薄膜圧電共振器１２の共振周波数は上昇する。
【０２２６】
図３０（ｂ）に示すように、制御電圧を変えて直列薄膜圧電共振器１１及び並列薄膜圧電共振器１２の共振周波数を一致させると、フィルタの特性は図３０（ｄ）のような全ての周波数帯にわたって阻止特性を示すようになる（スイッチ“オフ"に対応）。
【０２２７】
このように、制御電圧を変えるだけで、帯域通過特性と全域遮断特性を切り替えることができ、並列に接続してもＰＩＮダイオードのような選択手段を介さなくて済むので、挿入損失が一切増加しないというメリットがある。
【０２２８】
図２７では、このような第１のスイッチングフィルタ３３、第２のスイッチングフィルタ３４及び第３のスイッチングフィルタ３５を３つ並列に接続したものを示す。このとき第１のスイッチングフィルタ３３、第２のスイッチングフィルタ３４及び第３のスイッチングフィルタ３５のフィルタの段数は全て異なるようにしておく、第１のスイッチングフィルタ３３には第１の電圧印加端子３６から電圧が印加出来るようにしておく。第２のスイッチングフィルタ３４には第２の電圧印加端子３７から電圧が印加出来るようにしておく。第３のスイッチングフィルタ３５には第３の電圧印加端子３８から電圧が印加出来るようにしておく。３１は信号入力端子、３２は信号出力端子である。
【０２２９】
また、図２８に、このときの帯域外減衰量切り替えフィルタの通過特性を示す。
【０２３０】
図２８から分かるように、フィルタを構成する直列薄膜圧電共振器と並列薄膜圧電共振器の組み合わせからなるフィルタの段数が少ない場合、挿入損失は少ないものの帯域外減衰量の小さい通過特性となる。一方フィルタの段数が多い場合、帯域外減衰量は大きいものの挿入損失もそれに応じて大きい通過特性となる。
【０２３１】
所望波に対して近くに妨害波が存在しない場合は、帯域外減衰量は少なくてもよく、むしろ挿入損失を少なくすることが後段のアンプの負担を減らすためにも必要となるので第１のフィルタ３３をスイッチングフィルタで選択し、逆に妨害波が存在する場合は、挿入損失が例え大きくとも、帯域外減衰量を大きくして後段のアンプが飽和しないようにすることが要求されるので第２のフィルタ３４を選択して使用する。妨害波の強度が極めて大きい場合は、さらに帯域外減衰量の大きい第３のフィルタ３５を選択して使用する。
【０２３２】
このように、帯域外減衰量と挿入損失のトレードオフを回避するために、容易に小型化できる強誘電体配向膜を用いた薄膜圧電共振器から構成されるフィルタを損失の少ないスイッチ手段で切り替えて使用することで、妨害波の有無によってそれぞれ最適化されたフィルタ回路を使用できるようになった。また、スイッチ手段がフィルタ回路と同じ薄膜受動素子基板上に集積化できるため、極めてサイズの小さいフィルタモジュールが作製可能となった。
【０２３３】
（実施形態７）
本実施形態では、上記した可変フィルタを組み合わせた可変フィルタに関するものである。
【０２３４】
すなわち上記した通過帯域の中心周波数、通過帯域幅、リップル位置或いはリップル形状、ノッチ位置或いは遮断帯域幅を可変とする可変フィルタを複数用いて所望の可変帯域通過フィルタを形成することができる。
【０２３５】
こうすることでそれぞれ単独の特性可変フィルタでは実現が難しい大きな可変幅をもつフィルタを形成することもできる。
【０２３６】
例えば、フィルタ回路を実施形態２の中心周波数可変フィルタの直列接続で用い、電圧を印加することにより、前段の周波数可変フィルタの中心周波数を上昇させ、後段の周波数可変フィルタの中心周波数を低下させれば、帯域幅を狭くすることができる。
【０２３７】
また、前段と後段の中心周波数をあらかじめ異なる周波数に設定して、重なる部分だけをフィルタをして用いて、前段と後段の中心周波数を電圧印加により同じ方向に動かせば、通過帯域に比べて中心周波数の変化する割合を大きく取ることができ、より多くのシステムに特性可変フィルタを適用することができるようになり、実用上極めて有利である。
【０２３８】
図３１に、帯域幅可変フィルタを２個の中心周波数可変フィルタの直列接続により実現した回路を示す。
【０２３９】
図３１において、この直列型帯域幅可変フィルタは、第１の導線１６に２個の直列薄膜圧電共振器１１−１、１１−２が直列に接続されている。第２の導線１７に２個の直列薄膜圧電共振器１１−３、１１−４が直列に接続されている。第１の導線１６と第２の導線１７の間に４個の並列薄膜圧電共振器１２が並列に接続されている。
【０２４０】
第１の導線１６の第１の直列薄膜圧電共振器１１−１と第２の直列薄膜圧電共振器１１−２の間には、制御電圧入力端子１３が接続されている。同様に、第２の導線１７の第３の直列薄膜圧電共振器１１−３と第４の直列薄膜圧電共振器１１−４の間にも、制御電圧入力端子１３が接続されている。便宜上、制御電圧入力端子１３から入力端子１４側のフィルタを第１のフィルタ、制御電圧入力端子１３から出力端子１５側のフィルタを第２のフィルタと以下呼ぶことにする。
【０２４１】
図３２を用いて、この帯域幅可変フィルタの動作原理を説明する。
【０２４２】
図３２（ａ）は、電圧無印加時の第１のフィルタ及び第２のフィルタの通過特性を示したものである。第１のフィルタ及び第２のフィルタは、通過帯域がΔｆだけ重なるように設計されている。
【０２４３】
図３２（ｃ）に示すように、第１のフィルタ及び第２のフィルタを直列に接続した帯域通過フィルタの特性は帯域幅Δｆの帯域通過フィルタ特性を示す。
【０２４４】
次に、図３２（ｂ）に示すように、制御電圧を印加して薄膜圧電共振器の共振周波数を変化させることにより、第１のフィルタの通過域を低周波側にΔｆ'シフトさせ、第２のフィルタの通過域を高周波側にΔｆ'シフトさせる。
【０２４５】
図３２（ｄ）に示すように、帯域通過フィルタの特性は帯域幅がΔｆ＋２Δｆ'になり、２Δｆ'だけ広がることになる。このようにして、外部から加えた制御電圧により帯域幅を可変とすることができる。
【０２４６】
このような構成を実現するには実際には以下のように設計すればよい。第１のフィルタは第２のフィルタよりも低周波側に通過域をもつものとすると、第１のフィルタを構成する４つの薄膜圧電共振器は、第２のフィルタを構成する４つの薄膜圧電共振器よりも電極膜厚を大きくして、共振周波数を低下させなければならない。
【０２４７】
この場合、制御電圧入力端子に正の電圧を印加すると、第１のフィルタを構成する４つの薄膜圧電共振器には分極方向と同じ向きに電界が印加され、逆に第２のフィルタを構成する４つの薄膜圧電共振器には分極方向と逆向きに電界が印加される。従って、制御電圧を印加することで、第１のフィルタが例えば高周波側にシフトしたとすると、このとき第２のフィルタは逆に低周波側にシフトする。また、第１のフィルタが例えば低周波側にシフトしたとすると、このとき第２のフィルタは逆に高周波側にシフトする。つまり、このような構成の回路を作製すれば、制御電圧印加にともなって第１のフィルタと第２のフィルタが逆向きにシフトするため、両者の重なっている部分、すなわち通過帯域が広がったり狭まったりする。
【０２４８】
以上の説明で分かるように、図３１で示したようなフィルタ回路は、図３２で説明した動作原理に基づく帯域幅可変フィルタを作製することができる。この方法では、実質的に一つのフィルタ回路に制御電圧入力端子を付け加えるだけで帯域幅可変フィルタが構成できたので、従来の薄膜圧電共振器を用いたフィルタ回路の設計技術、プロセス技術がともに活用でき、さらに同一の基板上に全て形成可能であることから、極めて小さいフィルタモジュールが実現できた。
【０２４９】
この帯域幅可変フィルタは、例えばマルチキャリア方式を採用しているＣＤＭＡ２０００のように、通常１キャリアあたり１．２５ＭＨｚである帯域幅を、高速性が要求される場合にのみ複数のキャリアを用いて、２．５ＭＨｚや３．７５ＭＨｚの帯域幅に変えるシステムにおいて特に有効である。このような大きな帯域幅の変化を要するシステムでは、可変幅を大きく取れるので有利である。また、通常チャネル幅は数ＭＨｚであり、１０％以上もの結合定数をもつ強誘電体配向膜を圧電体とした薄膜圧電共振器では帯域幅が広すぎて、作製するのが困難であるが、本実施例に見られるような、帯域幅の広いフィルタを二つ直列に接続して帯域幅の狭いフィルタを構成する手法を用いれば、帯域幅の狭い帯域幅可変フィルタが構成できる。
【０２５０】
（実施形態８）
図３３に、本実施形態の可変フィルタの回路図を示す。これは２個の中心周波数可変フィルタの直列接続により実現した回路例である。
【０２５１】
図３３において、帯域幅可変フィルタは、第１の導線１６に２個の直列薄膜共振器１１−１、１１−２が直列に接続されている。第２の導線１７に２個の直列薄膜圧電共振器１１−３、１１−４が直列に接続されている。第１の導線１６と第２の導線１７の間に４個の並列薄膜圧電共振器１２が並列に接続されている。
【０２５２】
第１の導線１６の第１の直列薄膜圧電共振器１１−１と第２の直列薄膜圧電共振器１１−２の間には、制御電圧入力端子１３が接続されている。同様に、第２の導線１７の第３の直列薄膜圧電共振器１１−３と第４の直列薄膜圧電共振器１１−４の間にも、制御電圧入力端子１３が接続されている。
【０２５３】
回路上は図２１の２段の中心周波数可変フィルタと全く同一であるが、以下述べるように、電圧無印加時の通過特性が異なる。
【０２５４】
図３４を用いて、この帯域幅可変フィルタの動作原理を説明する。便宜上、図２２の制御電圧入力端子１３よりも入力端子１４側を第１の中心周波数可変フィルタ、出力端子１５側を第２の中心周波数可変フィルタと呼ぶことにする。
【０２５５】
図３４（ａ）は、電圧無印加時の第１及び第２の中心周波数可変フィルタの通過特性を示したものである。それぞれの通過特性は、帯域幅はほぼ同じであるが、重なっている周波数帯がチャネル一つ分と同じになっている。
【０２５６】
図３４（ｃ）に示すように、第１及び第２の中心周波数可変フィルタを直列に接続した場合に、チャネル一つ分が通過帯域幅となるような帯域通過フィルタが構成できるように調整してある。
【０２５７】
図３４（ｂ）に示すように、このような中心周波数可変フィルタに電圧を印加して、それぞれの通過帯域をΔｆ'だけ高周波側にずらすと、図３４（ｄ）に示すように、通過域のチャネルもΔｆ'だけ高周波側にシフトする。
【０２５８】
通常の方法では、強誘電体のように結合定数の大きい圧電材料では、１チャネルを選択するような帯域幅の狭いフィルタを構成し、かつそれを数チャネル分動かすのは困難であった。なぜならば、強誘電体配向膜のように可変幅が大きい材料は結合定数も大きく、逆に結合定数が小さい材料は可変幅が極めて狭く、中心周波数可変フィルタを作製できないというトレードオフの関係があるからである。
【０２５９】
しかし、本実施形態で説明したような２段の中心周波数可変フィルタを構成すれば、強誘電体のもつ大きなチューナビリティを活かしつつ、帯域幅の狭いチャネルフィルタを作製することができ、実用上の価値は極めて大きい。
【０２６０】
本発明では、直列に接続された複数のフィルタの間に、アイソレータ或いはバッファアンプが接続することができる。こうすることで直列薄膜圧電共振器のフィルタの前段と後段との間で、インピーダンスの不整合に起因する通過特性の低下を抑制することができ、実用上特に利用価値が高い。
【０２６１】
また、可変フィルタを少なくとも２個以上スイッチを介して並列に接続し、スイッチによりフィルタを選択することにより、通過帯域の中心周波数、通過帯域幅、リップル位置或いはリップル形状、ノッチ位置或いは遮断帯域幅、帯域外減衰量、通過損失を可変とすることができる。
【０２６２】
こうすると単一の可変フィルタ或いは複数の可変フィルタの直列接続で実現できる可変範囲よりも、さらに広い可変範囲をもつ特性可変フィルタが得られるという利点がある。
【０２６３】
例えば、挿入損失が少ないが帯域外減衰量も大きくない第１の特性の可変フィルタと、挿入損失は大きいが帯域外減衰量が大きい第２の特性の可変フィルタを並列に接続すれば、妨害波が存在しない場合には第１の可変フィルタを使用し、妨害波が出現した場合には第２の可変フィルタに切り替えて使用することで、フィルタ後段のアンプが飽和するのを避けることが可能となる。
【０２６４】
また、周波数可変チャネル選択フィルタを構成する場合、９００ＭＨｚ帯と２ＧＨｚ帯のチャネル選択フィルタを一つのフィルタ或いは直列に接続された可変フィルタで実現することは困難であるが、別々に構成して並列接続すれば用意に作製可能である。
【０２６５】
また、特に並列された可変フィルタの選択手段として実施形態１で説明したスイッチングフィルタを使用すれば、挿入損失も小さく実用上のメリットは極めて大きい。
【０２６６】
また、可変フィルタに用いる薄膜圧電共振器に使用する強誘電体として、単結晶或いは配向した強誘電体が０．１°以上の配向半値幅を有することが好ましい。
【０２６７】
本来、理想的な強誘電体では、電圧を印加しない場合でも分極が位置方向に揃っているが、適度に欠陥などが導入されていたり、格子定数がばらついたりしていると、電圧を印加しない場合は分極が揃っていない領域が膜中に形成される。このような領域もわずかに電圧を印加すれば分極が揃い、結合定数が大きく変化する。従って、印加電圧に対して材料定数の変化率を大きく取るためには、理想的な単結晶の強誘電体よりもわずかに配向が乱れていたほうが好ましい。
【０２６８】
詳細に実験を行なった結果、Ｘ線回折により得られた配向半値幅が０．１°以上であれば、実用上必要な結合定数の電圧依存性を得ることができる。
【０２６９】
薄膜圧電共振器の圧電体膜としてチタン酸バリウムを用いることが好ましい。
【０２７０】
チタン酸バリウムは、電気機械結合定数が約２０％と大きく、また弾性定数や結合定数の電圧依存性が他の圧電材料に比べて大きく、さらに高周波帯における誘電率も２００以上とＡｌＮやＺｎＯに比べると遥かに大きいため、上述したような特性可変フィルタや小型切り替え式フィルタを構成するのに特に適している。また、ＰＺＴと違い、熱力学的に安定でかつ有害な金属を含まないので、実用上特に有望な材料である。
【０２７１】
【発明の効果】
適当な外部制御手段を用いて通過特性を可変にできる新たな可変フィルタを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明に用いる薄膜バルク弾性波共振器の断面図。
【図２】 本発明に用いる薄膜バルク弾性波共振器の断面図。
【図３】 本発明に用いる薄膜バルク弾性波共振器の断面図。
【図４】 本発明に用いる薄膜バルク弾性波共振器の等価回路。
【図５】 本発明に用いる薄膜バルク弾性波共振器の周波数特性。
【図６】 本発明のスイッチングフィルタの（ａ）回路図及び（ｂ）インピーダンスの絶対値の周波数特性図。
【図７】 本発明のスイッチングフィルタの帯域通過特性図。
【図８】 本発明のスイッチングフィルタの全域阻止特性図。
【図９】 本発明のスイッチングフィルタにおける平衡梯子型フィルタの回路図。
【図１０】 本発明のスイッチングフィルタにおける平衡格子型フィルタの回路図。
【図１１】 本発明のスイッチングフィルタにおける平衡梯子型フィルタの回路図。
【図１２】 本発明のスイッチングフィルタにおける平衡梯子型フィルタの回路図。
【図１３】 本発明のスイッチングフィルタにおける平衡格子型フィルタの回路図。
【図１４】 本発明のスイッチングフィルタにおける平衡格子型フィルタの回路図。
【図１５】 本発明のスイッチングフィルタにおける平衡梯子型フィルタの回路図。
【図１６】 本発明のスイッチングフィルタにおける不平衡梯子型フィルタの回路図。
【図１７】 本発明のスイッチングフィルタにおける不平衡梯子型フィルタの回路図。
【図１８】 本発明に用いる薄膜バルク弾性波共振器の断面図。
【図１９】 本発明の実施形態２に係わる中心周波数可変フィルタの回路図。
【図２０】 本発明の実施形態２に係わる中心周波数可変フィルタの動作原理を説明する図であり、（ａ）及び（ｂ）は共振器のインピーダンス特性、（ｃ）及び（ｄ）は、通過特性。
【図２１】 本発明の実施形態３に係わる帯域幅可変フィルタの回路図。
【図２２】 本発明の実施形態３に係わる帯域幅可変フィルタの動作原理を説明する図であり、（ａ）及び（ｂ）は共振器のインピーダンス特性、（ｃ）及び（ｄ）は、通過特性。
【図２３】 本発明の実施形態４に係わるリップル形状可変フィルタの回路図。
【図２４】 本発明の実施形態４に係わるリップル形状可変フィルタの動作原理を説明する図であり、（ａ）及び（ｂ）は共振器のインピーダンス特性、（ｃ）及び（ｄ）は、通過特性。
【図２５】 本発明の実施形態５に係わる周波数可変帯域遮断フィルタの回路図。
【図２６】 本発明の実施形態５に係わる周波数可変帯域遮断フィルタの動作原理を説明する図であり、（ａ）は回路図、（ｂ）は共振器のインピーダンス特性、（ｃ）は通過特性。
【図２７】 本発明の実施形態６に係わる帯域外減衰量切り替えフィルタのブロック図。
【図２８】 本発明の実施形態６に係わる帯域外減衰量切り替えフィルタを構成するスイッチングフィルタの通過特性。
【図２９】 本発明の実施形態６に係わる帯域外減衰量切り替えフィルタのスイッチングフィルタの回路図。
【図３０】 本発明の実施形態６に係わる帯域外減衰量切り替えフィルタを構成するスイッチングフィルタの動作原理を説明する図であり、（ａ）及び（ｂ）は共振器のインピーダンス特性、（ｃ）及び（ｄ）は、通過特性。
【図３１】 本発明の実施形態７に係わる帯域幅可変フィルタの回路図。
【図３２】 本発明の実施形態８に係わる帯域幅可変フィルタの動作原理を説明する図であり、（ａ）及び（ｂ）は共振器のインピーダンス特性、（ｃ）及び（ｄ）は、通過特性。
【図３３】 本発明の実施形態７に係わるチャネル選択フィルタの回路図。
【図３４】 本発明の実施形態７に係わるチャネル選択フィルタの動作原理を説明する図であり、（ａ）及び（ｂ）は共振器のインピーダンス特性、（ｃ）及び（ｄ）は、通過特性。
【符号の説明】
１・・・第１の電極
２・・・圧電体膜
３・・・第２の電極
４・・・エッチングストッパー層
５・・・単結晶基板
６・・・多層音響反射層
１１・・・直列に接続された薄膜圧電弾性波共振器
１２・・・並列に接続された薄膜圧電弾性波共振器
１３・・・マッチング回路
１４・・・入力ポート
１５・・・出力ポート
１６・・・第１の導線
１７・・・第２の導線
１８・・・高周波遮断用抵抗
１９・・・可変電圧回路接続端子
２１・・・Ｓｉ基板
２２・・・ＳｉＯ２層
２３・・・ＳｒＲｕＯ３犠牲層
２４・・・Ｉｒ下部電極
２５・・・ＢａＴｉＯ３圧電体膜
２６・・・Ｉｒ上部電極
２７・・・ヴィアホール
３０・・・帯域外減衰量切り替えフィルタ
３１・・・信号入力端子
３２・・・信号出力端子
３３・・・第１のスイッチングフィルタ
３４・・・第２のスイッチングフィルタ
３５・・・第３のスイッチングフィルタ
３６・・・第１の制御電圧入力端子
３７・・・第２の制御電圧入力端子
３８・・・第３の制御電圧入力端子
Claims (18)
- 直列接続の薄膜圧電共振器と、並列接続の薄膜圧電共振器とを組み合わせた可変フィルタにおいて、前記直列薄膜圧電共振器及び前記並列薄膜圧電共振器は共振特性が印加電圧により変化する薄膜圧電共振器であり、前記直列薄膜圧電共振器の共振周波数と前記並列薄膜圧電共振器の反共振周波数とを一致させ、前記直列薄膜圧電共振器及び前記並列薄膜圧電共振器の印加電圧を変化させることによって、前記直列薄膜圧電共振器の共振周波数及び前記並列薄膜圧電共振器の反共振周波数とを共に上昇或いは下降させて、通過帯域の中心周波数を制御することを特徴とする可変フィルタ。
- 直列接続の薄膜圧電共振器と、並列接続の薄膜圧電共振器とを組み合わせた可変フィルタにおいて、前記直列薄膜圧電共振器及び前記並列薄膜圧電共振器の少なくとも一つは共振特性が印加電圧により変化する薄膜圧電共振器であり、前記直列薄膜圧電共振器の共振周波数と前記並列薄膜圧電共振器の反共振周波数とを一致させ、前記直列薄膜圧電共振器或いは前記並列薄膜圧電共振器の印加電圧を変化させることによって、前記直列薄膜圧電共振器の共振周波数及び反共振周波数の間隔或いは前記並列薄膜圧電共振器の共振周波数及び反共振周波数の間隔を変化させて、通過帯域幅を制御することを特徴とする可変フィルタ。
- 直列接続の薄膜圧電共振器と、並列接続の薄膜圧電共振器とを組み合わせた可変フィルタにおいて、前記直列薄膜圧電共振器及び前記並列薄膜圧電共振器は共振特性が印加電圧により変化する薄膜圧電共振器であり、前記直列薄膜圧電共振器の共振周波数と前記並列薄膜圧電共振器の反共振周波数とをほぼ一致させ、前記直列薄膜圧電共振器及び前記並列薄膜圧電共振器の印加電圧を変化させることによって、前記直列薄膜圧電共振器の共振周波数及び前記並列薄膜圧電共振器の反共振周波数の間隔を変化させて、通過帯域のリップル位置或いはリップル形状を制御することを特徴とする可変フィルタ。
- 直列接続の薄膜圧電共振器と、並列接続の薄膜圧電共振器とを組み合わせた可変フィルタにおいて、前記直列薄膜圧電共振器及び前記並列薄膜圧電共振器は共振特性が印加電圧により変化する薄膜圧電共振器であり、前記直列薄膜圧電共振器の反共振周波数と前記並列薄膜圧電共振器の共振周波数とを一致させ、前記直列薄膜圧電共振器及び前記並列薄膜圧電共振器の印加電圧を変化させることによって、前記直列薄膜圧電共振器の反共振周波数及び前記並列薄膜圧電共振器の共振周波数とを共に上昇或いは下降させて、阻止帯域の中心周波数を制御することを特徴とする可変フィルタ。
- 直列接続の薄膜圧電共振器と、並列接続の薄膜圧電共振器とを組み合わせた可変フィルタにおいて、前記直列薄膜圧電共振器及び前記並列薄膜圧電共振器の少なくとも一つは共振特性が印加電圧により変化する薄膜圧電共振器であり、前記直列薄膜圧電共振器の反共振周波数と前記並列薄膜圧電共振器の共振周波数とを一致させ、前記直列薄膜圧電共振器或いは前記並列薄膜圧電共振器の印加電圧を変化させることによって、前記直列薄膜圧電共振器の共振周波数及び反共振周波数の間隔或いは前記並列薄膜圧電共振器の共振周波数及び反共振周波数の間隔を変化させて、阻止帯域幅を制御することを特徴とする可変フィルタ。
- 直列接続の薄膜圧電共振器と、並列接続の薄膜圧電共振器とを組み合わせた可変フィルタにおいて、前記直列薄膜圧電共振器及び前記並列薄膜圧電共振器の少なくとも一つは共振特性が印加電圧により変化する薄膜圧電共振器であり、前記直列薄膜圧電共振器或いは前記並列薄膜圧電共振器の印加電圧を変化させることによって、前記直列薄膜圧電共振器の共振周波数と前記並列薄膜圧電共振器の反共振周波数とが一致したときに得られる通過帯域特性及び前記直列薄膜圧電共振器の共振周波数と前記並列薄膜圧電共振器の共振周波数とが一致したときに得られる全域阻止特性とを切り替えることを特徴とする可変フィルタ。
- 第１及び第２の入力端子と、第１及び第２の出力端子と、前記第１の入力端子及び前記第１の出力端子間或いは前記第２の入力端子及び前記第２の出力端子間に直列接続された薄膜圧電共振器と、前記第１の入力端子及び前記第２の入力端子との間或いは前記第１の出力端子及び前記第２の出力端子との間に並列接続された薄膜圧電共振器と、 前記直列薄膜圧電共振器及び前記並列薄膜圧電共振器は共振特性が印加電圧により変化する薄膜圧電共振器であり、この薄膜圧電共振器に接続され、電圧を可変にする可変電圧回路とを具備し、前記直列薄膜圧電共振器の共振周波数と前記並列薄膜圧電共振器の反共振周波数とを一致させ、前記直列薄膜圧電共振器及び前記並列薄膜圧電共振器の印加電圧を変化させることによって、前記直列薄膜圧電共振器の共振周波数及び前記並列薄膜圧電共振器の反共振周波数とを共に上昇或いは下降させて、通過帯域の中心周波数を制御することを特徴とする可変フィルタ。
- 第１及び第２の入力端子と、第１及び第２の出力端子と、前記第１の入力端子及び前記第１の出力端子間或いは前記第２の入力端子及び前記第２の出力端子間に直列接続された薄膜圧電共振器と、前記第１の入力端子及び前記第２の入力端子との間或いは前記第１の出力端子及び前記第２の出力端子との間に並列接続された薄膜圧電共振器と、前記直列薄膜圧電共振器及び前記並列薄膜圧電共振器の少なくとも一つは共振特性が印加電圧により変化する薄膜圧電共振器であり、この薄膜圧電共振器に接続され、電圧を可変にする可変電圧回路とを具備し、前記直列薄膜圧電共振器の共振周波数と前記並列薄膜圧電共振器の反共振周波数とを一致させ、前記直列薄膜圧電共振器或いは前記並列薄膜圧電共振器の印加電圧を変化させることによって、前記直列薄膜圧電共振器の共振周波数及び反共振周波数の間隔或いは前記並列薄膜圧電共振器の共振周波数及び反共振周波数の間隔を変化させて、通過帯域幅を制御することを特徴とする可変フィルタ。
- 第１及び第２の入力端子と、第１及び第２の出力端子と、前記第１の入力端子及び前記第１の出力端子間或いは前記第２の入力端子及び前記第２の出力端子間に直列接続された薄膜圧電共振器と、前記第１の入力端子及び前記第２の入力端子との間或いは前記第１の出力端子及び前記第２の出力端子との間に並列接続された薄膜圧電共振器と、前記直列薄膜圧電共振器及び前記並列薄膜圧電共振器は共振特性が印加電圧により変化する薄膜圧電共振器であり、この薄膜圧電共振器に接続され、電圧を可変にする可変電圧回路とを具備し、前記直列薄膜圧電共振器の共振周波数と前記並列薄膜圧電共振器の反共振周波数とをほぼ一致させ、前記直列薄膜圧電共振器及び前記並列薄膜圧電共振器の印加電圧を変化させることによって、前記直列薄膜圧電共振器の共振周波数及び前記並列薄膜圧電共振器の反共振周波数の間隔を変化させて、通過帯域のリップル位置或いはリップル形状を制御することを特徴とする可変フィルタ。
- 第１及び第２の入力端子と、第１及び第２の出力端子と、前記第１の入力端子及び前記第１の出力端子間或いは前記第２の入力端子及び前記第２の出力端子間に直列接続された薄膜圧電共振器と、前記第１の入力端子及び前記第２の入力端子との間或いは前記第１の出力端子及び前記第２の出力端子との間に並列接続された薄膜圧電共振器と、前記直列薄膜圧電共振器及び前記並列薄膜圧電共振器は共振特性が印加電圧により変化する薄膜圧電共振器であり、この薄膜圧電共振器に接続され、電圧を可変にする可変電圧回路とを具備し、前記直列薄膜圧電共振器の反共振周波数と前記並列薄膜圧電共振器の共振周波数とを一致させ、前記直列薄膜圧電共振器及び前記並列薄膜圧電共振器の印加電圧を変化させることによって、前記直列薄膜圧電共振器の反共振周波数及び前記並列薄膜圧電共振器の共振周波数とを共に上昇或いは下降させて、阻止帯域の中心周波数を制御することを特徴とする可変フィルタ。
- 第１及び第２の入力端子と、第１及び第２の出力端子と、前記第１の入力端子及び前記第１の出力端子間或いは前記第２の入力端子及び前記第２の出力端子間に直列接続された薄膜圧電共振器と、前記第１の入力端子及び前記第２の入力端子との間或いは前記第１の出力端子及び前記第２の出力端子との間に並列接続された薄膜圧電共振器と、前記直列薄膜圧電共振器及び前記並列薄膜圧電共振器の少なくとも一つは共振特性が印加電圧により変化する薄膜圧電共振器であり、この薄膜圧電共振器に接続され、電圧を可変にする可変電圧回路とを具備し、前記直列薄膜圧電共振器の反共振周波数と前記並列薄膜圧電共振器の共振周波数とを一致させ、前記直列薄膜圧電共振器或いは前記並列薄膜圧電共振器の印加電圧を変化させることによって、前記直列薄膜圧電共振器の共振周波数及び反共振周波数の間隔或いは前記並列薄膜圧電共振器の共振周波数及び反共振周波数の間 隔を変化させて、阻止帯域幅を制御することを特徴とする可変フィルタ。
- 第１及び第２の入力端子と、第１及び第２の出力端子と、前記第１の入力端子及び前記第１の出力端子間或いは前記第２の入力端子及び前記第２の出力端子間に直列接続された薄膜圧電共振器と、前記第１の入力端子及び前記第２の入力端子との間或いは前記第１の出力端子及び前記第２の出力端子との間に並列接続された薄膜圧電共振器と、前記直列薄膜圧電共振器及び前記並列薄膜圧電共振器の少なくとも一つは共振特性が印加電圧により変化する薄膜圧電共振器であり、この薄膜圧電共振器に接続され、電圧を可変にする可変電圧回路とを具備し、前記直列薄膜圧電共振器或いは前記並列薄膜圧電共振器の印加電圧を変化させることによって、前記直列薄膜圧電共振器の共振周波数と前記並列薄膜圧電共振器の反共振周波数とが一致したときに得られる通過帯域特性及び前記直列薄膜圧電共振器の共振周波数と前記並列薄膜圧電共振器の共振周波数とが一致したときに得られる全域阻止特性とを切り替えることを特徴とする可変フィルタ。
- 請求項１乃至請求項１２のいずれかに記載の可変フィルタを単独或いは組み合わせて少なくとも２個以上直列に接続することを特徴とする可変フィルタ。
- 前記直列に接続された前記可変フィルタの間にアイソレータ或いはバッファアンプが接続されていることを特徴とする請求項１３記載の可変フィルタ。
- 請求項１乃至請求項１２のいずれかに記載の可変フィルタを単独或いは組み合わせて少なくとも２個以上、スイッチを介して並列に接続し、前記スイッチにより前記フィルタを選択することにより、通過特性を制御することを特徴とする可変フィルタ。
- 前記直列薄膜圧電共振器及び前記並列薄膜圧電共振器は、単結晶或いは配向した強誘電体膜とこれを挟んだ電極とを具備することを特徴とする請求項１乃至請求項１５のいずれかに記載の可変フィルタ。
- 前記強誘電体膜が０．１°以上の配向半値幅を有することを特徴とする請求項１６記載の可変フィルタ。
- 前記強誘電体が、チタン酸バリウムを主成分とすることを特徴とする請求項１６または請求項１７記載の可変フィルタ。
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