JP3940887B2 - 薄膜圧電共振器を用いた送受切換器 - Google Patents
薄膜圧電共振器を用いた送受切換器 Download PDFInfo
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、通信機器の技術分野に属するものであり、特に薄膜圧電共振器を用いた送受切換器に関するものである。
【０００２】
【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】
セルラ電話のＲＦ回路部には常に小型化が求められる。最近では、機器における実装密度を高めるために、特にＲＦ回路部に対する高さ低減の要求が厳しく、従ってＲＦ回路部を構成するコンポーネントについても高さの低いものが求められている。また、低コストに製造できるように、各コンポーネントをできるだけ単一の部品で構成することが要求されている。特に、ＲＦ回路部を構成するコンポーネントの１つである送受切換器に関しては、耐電力が求められ、電力供給に対して破壊や特性劣化を起こさないことが必要である。
【０００３】
現在、この送受切換器は、セラミックフィルタやＳＡＷ（弾性表面波）フィルタを利用している。セラミックフィルタは、モノリシック化が可能で安価であるが、共振器の損失が大きく、それをカバーするために約２３×７×５ｍｍの寸法が必要であり、高さ低減の要求を十分に満たすことができない。一方、ＳＡＷフィルタは、小型であるが、高周波での耐電力に問題があり、送信の出力電力にサージが生ずると故障する可能性がある。また、特性改善のために、電子スイッチを併用した回路を構成することもできるが、その場合には回路構成が複雑になり、高価になる。
【０００４】
このような事情に鑑みて、特開２００１−２４４７６号公報には、送信帯域と受信帯域との分離が少なく、さらに高い電力レベルが要求されるＣＤＭＡ−ＰＣＳ装置等の用途における利用を可能にする送受切換器が提案されている。この送受切換器は、送信用帯域フィルタと受信用帯域フィルタと９０度移相器との３つの部品から構成されている。９０度移相器はそれぞれのフィルタを構成している薄膜圧電共振器（Ｆｉｌｍ Ｂｕｌｋ Ａｃｏｕｓｔｉｃ Ｒｅｓｏｎａｔｏｒ：“ＦＢＡＲ”と略称される）とは別個のものであり、インダクタ及びキャパシタの受動部品からなるものである。このため、特開２００１−２４４７６号公報に記載の送受切換器は、モノリシック化が難しく、十分な低コスト化は困難である。また、この送受切換器の９０度移相器を伝送線路により形成することも可能であるが、その場合には少なくとも十数ｍｍの長さが必要となり、フィルタに比べかなり大きなスペースが必要となり、小型化には不向きである。
【０００５】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、送信用フィルタと受信用フィルタとの接続部の構造を小形化することが可能で且つ送信用フィルタ及び受信用フィルタとのモノリシック化が可能なようにすることで、耐電力が良好で、小型且つ安価な送受切換器を提供することを目的とするものである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、以上の如き目的を達成するものとして、
送信ポート、受信ポート及び送受共用ポートと；
前記送信ポートと前記送受共用ポートとの間に接続され、薄膜圧電共振器からなる第１の直列素子及び薄膜圧電共振器からなる第１の分路素子を備えた第１の梯子型回路を含んでおり、送信通過周波数帯域を有する送信帯域フィルタと；
前記受信ポートと前記送受共用ポートとの間に接続され、薄膜圧電共振器からなる第２の直列素子及び薄膜圧電共振器からなる第２の分路素子を備えた第２の梯子型回路を含んでおり、前記送信通過周波数帯域とは重複しない受信通過周波数帯域を有する受信帯域フィルタとを含んで構成される送受切換器において、
前記送受共用ポートと前記第１の分路素子及び前記第２の分路素子との間に接続された少なくとも１つの調整用薄膜圧電共振器を備えており、該調整用薄膜圧電共振器の共振周波数は前記送信通過周波数帯域と前記受信通過周波数帯域との間に設定されていることを特徴とする送受切換器、
が提供される。
【０００７】
本発明の一態様においては、前記調整用薄膜圧電共振器は前記送受共用ポートとグランドとの間に接続されており、前記第１の分路素子及び前記第２の分路素子はグランドに接続されている。
【０００８】
本発明の一態様においては、前記送信通過周波数帯域は前記受信通過周波数帯域より低く、前記調整用薄膜圧電共振器の共振周波数は前記送信通過周波数帯域の上限周波数と前記受信通過周波数帯域の下限周波数との間に設定されている。
【０００９】
本発明の一態様においては、前記送信帯域フィルタは前記送信通過周波数帯域より高域側の減衰特性を高める少なくとも１つのインダクタを含む。本発明の一態様においては、前記インダクタは前記第１の直列素子のうちのいくつかに対して並列に接続されている。本発明の一態様においては、前記インダクタの一端は前記送信ポートと接続されている。
【００１０】
本発明の一態様においては、前記受信帯域フィルタは前記受信通過周波数帯域より低域側の減衰特性を高める少なくとも１つのキャパシタを含む。本発明の一態様においては、前記キャパシタは前記第２の直列素子のうちのいくつかに対して並列に接続されている。本発明の一態様においては、前記キャパシタの一端は前記受信ポートと接続されている。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照しながら説明する。
【００１２】
図１は、本発明の送受切換器の実施形態の構成を示すブロック図である。図１において、送受切換器１００は、送信帯域フィルタ１１０、受信帯域フィルタ１３０及び調整用薄膜圧電共振器１５０を含んでなる。送信帯域フィルタ１１０の一方端は第１のポート（送信ポート）１０２と接続されており、受信帯域フィルタ１３０の一方端は第２のポート（受信ポート）１０４と接続されている。送信帯域フィルタ１１０の他方端及び受信帯域フィルタ１３０の他方端は第３のポート（送受共用ポートとしてのアンテナポート）１０６と接続されている。調整用薄膜圧電共振器１５０は、一方端がアンテナポート１０６に接続されており（即ち送信帯域フィルタ１１０の他方端及び受信帯域フィルタ１３０の他方端と接続されており）、他方端がグランドに接続されている。送信ポート１０２は送信回路に接続され、受信ポート１０４は受信回路に接続され、アンテナポート１０６は送受信アンテナＡＮＴに接続される。
【００１３】
図２は、本実施形態の送受切換器１００の回路構成図である。調整用薄膜圧電共振器１５０は、送信帯域フィルタ１１０と受信帯域フィルタ１３０とを結びつけるように配置されている。送信帯域フィルタ１１０及び受信帯域フィルタ１３０は、いずれも複数の薄膜圧電共振器（ＦＢＡＲ）を含んでなるものである。
【００１４】
ここで、薄膜圧電共振器について簡潔に説明する。
【００１５】
図３は、薄膜圧電共振器の模式的平面図であり、図４はそのＸ−Ｘ断面図である。薄膜圧電共振器１０は、上面と下面との間を上下に貫通してエアーギャップを形成する貫通孔１４を有する基板１６と、該基板１６の上面上に該上面の貫通孔開口を形成する端縁により周縁部が支持されて吊られた形態の圧電スタック２２とを有する。該圧電スタック２２は、圧電層１２とその上下両面に接合された電極層１８，２０とからなる。電極層１８，２０にはそれぞれ端子２６，２８が付されており、該端子２６，２８には電源が接続される。圧電共振器スタック２２において、電極端子２６，２８の間に印加される電圧に応答して圧電層１２は矢印２４で示される方向に伸張及び収縮する。
【００１６】
圧電層１２は、例えば、酸化亜鉛（ＺｎＯ）や窒化アルミニウム（ＡｌＮ）のような薄膜として製造できる圧電材料を有する。電極層１８，２０は、例えば、金（Ａｕ）、モリブデン（Ｍｏ）、あるいはアルミニウム（Ａｌ）から成るものでよい。基板１６は、例えば、シリコン（Ｓｉ）、ＳｉＯ2 、ＧａＡｓ、あるいはガラスのような材料から成る。
【００１７】
圧電層１２と電極層１８，２０との積層体から構成される圧電共振器スタック２２は、その周縁部で吊られており、その主表面が両方とも空気その他の周囲ガス又は真空と接している。この場合、圧電共振器スタック２２はＱの高い音波共振器を形成する。端子２６，２８を介して電極層１８，２０に加えられる交流信号は、圧電共振器スタック２２における音速を該スタック２２の重み付き厚さの２倍で割った値に等しい周波数を持つものである。すなわち、ｆr ＝ｃ／２ｔ0 （ここで、ｆr は共振周波数であり、ｃはスタック２２内の音速であり、ｔ0 はスタック２２の重み付き厚さである）の場合、その交流信号によって、圧電共振器スタック２２が共振する。スタック２２を構成する層内における音速が各層を構成する材料ごとに異なるため、圧電共振器スタック２２の共振周波数は、物理的厚さではなく、圧電層１２や電極層１８，２０内の音速とそれらの物理的厚みとを考慮した重み付き厚さにより決まる。
【００１８】
図５は、図３及び図４のものとは異なる薄膜圧電共振器の模式的断面図である。この例は、貫通孔１４により形成されるエアーギャップの代わりに、音響インピーダンス変換器３０を用いていること以外は、図３及び図４のものと同様である。このような薄膜圧電共振器については、例えばＷ．Ｅ．Ｎｅｗｅｌｌの“Ｆａｃｅ−Ｍｏｕｎｔｅｄ Ｐｉｅｚｏｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｒｅｓｏｎａｔｏｒｓ”という論文（Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ｏｆ ｔｈｅ ＩＥＥＥ，ｐｐ．５７５〜５８１，Ｊｕｎｅ １９６５）等に記載されている。
【００１９】
図６は、以上のような薄膜圧電共振器１０の素子等価回路を示す。共振器の直列共振は等価インダクタンス（Ｌm ）及び等価キャパシタンス（Ｃm ）によって生じる。この共振器の直列共振周波数のインピーダンスは低い（すなわち、デバイスに全く損失がない理想的な場合、この共振器は分路のように機能する）。この直列共振周波数より低い周波数では、薄膜圧電共振器１０のインピーダンスは容量性を持つ。この直列共振周波数より高く且つ等価キャパシタンス（Ｃ0 ）から生じる並列共振周波数より低い周波数では薄膜圧電共振器１０のインピーダンスは誘導性がある。また、並列共振周波数より高い周波数では、薄膜圧電共振器１０のインピーダンスは再び容量性を持ち、並列共振周波数では共振器のインピーダンスは高くなり、損失のない理想系ではインピーダンスは無限となり、開路に似ている。本発明では、上記調整用薄膜圧電共振器１５０についての直列共振周波数の前後のインピーダンスの変化を利用することで、以下に述べるように送受切換器の構成を簡単且つ小型なものとしている。
【００２０】
再び図２を参照して、送信帯域フィルタ１１０及び受信帯域フィルタ１３０について更に詳細に説明する。
【００２１】
送信帯域フィルタ１１０は、薄膜圧電共振器からなる直列共振素子１１１，１１３，１１５と薄膜圧電共振器からなる分路共振素子１１２，１１４とにより梯子型回路を形成するように接続された（２＋１／２）段の帯域フィルタである。梯子型回路は、圧電共振器を用いて帯域フィルタを形成する一般的な手法である。直列共振素子１１１，１１３，１１５は、第１のポート（送信ポート）１０２と第３のポート（アンテナポート）１０６との間を接続している。分路共振素子１１２は、グランドと直列共振素子１１１，１１３間のノード１１７との間を接続している。分路共振素子１１４は、グランドと直列共振素子１１３，１１５間のノード１１８との間を接続している。
【００２２】
受信帯域フィルタ１３０は、薄膜圧電共振器からなる直列共振素子１３１，１３３，１３５と薄膜圧電共振器からなる分路共振素子１３２，１３４，１３６により梯子型回路を形成するように接続された３段の帯域フィルタである。直列共振素子１３１，１３３，１３５は、第２のポート（受信ポート）１０４と第３のポート（アンテナポート）１０６との間を接続している。分路共振素子１３２は、グランドと直列共振素子１３１，１３３間のノード１３７との間を接続している。分路共振素子１３４は、グランドと直列共振素子１３３，１３５間のノード１３８との間を接続している。分路共振素子１３６は、グランドと第２のポート（受信ポート）１０４との間を接続している。
【００２３】
調整用薄膜圧電共振器１５０は、一方端が第３のポートに接続されており（即ち送信帯域フィルタ１１０の直列共振素子１１１と受信帯域フィルタ１３０の直列共振素子１３１との接続部に接続されており）、他方端がグランドに接続されている。
【００２４】
調整用薄膜圧電共振器１５０は、一面において送信帯域フィルタ１１０の梯子型回路に付加された分路共振子として機能し、これにより３段の送信帯域フィルタ特性が得られる。電話機においては、通常、送信通過周波数帯域は受信通過周波数帯域より低く設定される。例えば、ＣＤＭＡ−ＰＣＳ電話機の場合、送信通過周波数帯域は１．８５〜１．９１ＧＨｚ、受信通過周波数帯域は１．９３〜１．９９ＧＨｚである。そのため、送信帯域フィルタ１１０は通過帯域より高い周波数で急峻で大きな減衰が要求される。３段の送信帯域フィルタ特性を得ることで、このような要求に沿った特性に近づけることができ、送受切換器の小型化が可能になる。
【００２５】
調整用薄膜圧電共振器１５０は、他面において受信帯域フィルタ１３０の梯子型回路に付加された分路共振子として機能し、これにより（３＋１／２）段の受信帯域フィルタ特性が得られる。受信帯域フィルタ１３０は通過帯域より低い周波数で急峻で大きな減衰が要求される。（３＋１／２）段の受信帯域フィルタ特性を得ることで、このような要求に沿った特性に近づけることができ、送受切換器の小型化が可能になる。
【００２６】
調整用薄膜圧電共振器１５０の直列共振周波数を、送信帯域フィルタ１１０の送信通過周波数帯域の上限値（ＣＤＭＡ−ＰＣＳ電話機の場合１．９１ＧＨｚ）より大きく且つ受信帯域フィルタ１３０の受信通過周波数帯域の下限値（ＣＤＭＡ−ＰＣＳ電話機の場合１．９３ＧＨｚ）より小さな適宜の値に設定することにより、送信帯域フィルタ１１０と受信帯域フィルタ１３０とが互いに影響を受けることなく、送受切換器１００を動作させることができる。これは、送信通過周波数帯域は共振器１５０の直列共振周波数より低いので、送信通過周波数帯域では共振器１５０は回路的に容量性を示し、ＬＰＦのような作用で受信帯域フィルタ１３０があたかも存在しないかのように振る舞う。また、受信通過周波数帯域は共振器１５０の直列共振周波数より高いので、受信通過周波数帯域では共振器１５０は回路的には誘導性を示し、ＨＰＦのような作用で送信帯域フィルタ１１０の存在を無視するように振る舞う。このため、共振器１５０が存在することで、第１のポート（送信ポート）１０２に印加される送信信号は第１のポート（送信ポート）１０２から第３のポート（アンテナポート）１０６に流れ、第２のポート（受信ポート）１０４や受信帯域フィルタ１３０にはほとんど影響を与えない。また、共振器１５０が存在することで、第３のポート（アンテナポート）１０６から入ってくる受信信号は送信帯域フィルタ１１０や第１のポート（送信ポート）１０２からの影響を受けずに、受信帯域フィルタ１３０を通り第２のポート（受信ポート）１０４に達する。このため、送受切換器として安定に作用する。
【００２７】
図７に、以上のような調整用薄膜圧電共振器１５０を有する送受切換器１００の送信通過特性Ｔｔ及び受信通過特性Ｒｔの一例を示す。
【００２８】
薄膜圧電共振器１５０は、送信帯域フィルタ１１０を構成する薄膜圧電共振器及び受信帯域フィルタ１３０を構成する薄膜圧電共振器とともに容易にモノリシック化することができるので、この意味においても送受切換器の小型化が可能になる。
【００２９】
図８は、本発明の送受切換器の更に別の実施形態の回路構成図である。本図において、上記図１〜７におけると同様の機能を有する部材または部分には同一の符号が付されている。
【００３０】
本実施形態では、送信帯域フィルタ１１０においてノード１１７と第１のポート（送信ポート）１０２とが追加受動素子たるインダクタ１２０で接続されており、即ちインダクタ１２０は直列共振素子１１３，１１５に対して並列に接続されている。各直列共振素子の等価キャパシタＣ0 とインダクタ１２０との間で追加の共振回路が形成され、これにより、所望の減衰帯域内（特に通過帯域に近く且つ該通過帯域より高い周波数）に新しい減衰極が形成され、少ない段数で一層よい送信フィルタ特性を得ることができる。
【００３１】
また、本実施形態では、ノード１３７と第２のポート１０４とが、追加受動素子たるキャパシタ１４０で接続されており、即ちキャパシタ１４０は直列共振素子１３３，１３５に対して並列に接続されている。各直列共振素子とキャパシタ１４０との間で追加の共振回路が形成され、これにより、所望の減衰帯域内（特に通過帯域に近く且つ該通過帯域より低い周波数）に新しい減衰極が形成され、少ない段数で一層よい受信フィルタ特性を得ることができる。
【００３２】
尚、以上の実施形態では調整用薄膜圧電共振器１５０を１つ用いたが、本発明では２つ以上の調整用薄膜圧電共振器を用いることも可能である。
【００３３】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、薄膜圧電共振器からなる素子を用いているので、１ワットを越える電力レベルにおいても信頼性又はフィルタ特性の安定性が損なわれない十分に急峻な減衰特性を備える送受切換器を提供することができる。また、セラミックフィルタに比べかなり小型で高さの低い送受切換器が提供ができ、送信帯域フィルタと受信帯域フィルタとの接続にも調整用薄膜圧電共振器を用いているので、モノリシック化が容易であり、送受切換器の製造コストを低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の送受切換器の構成を示すブロック図である。
【図２】本発明の送受切換器の回路構成図である。
【図３】薄膜圧電共振器の模式的平面図である。
【図４】図３のＸ−Ｘ断面図である。
【図５】薄膜圧電共振器の模式的断面図である。
【図６】薄膜圧電共振器の素子等価回路図である。
【図７】本発明の送受切換器の送信通過特性及び受信通過特性の一例を示すグラフである。
【図８】本発明の送受切換器の回路構成図である。
【符号の説明】
１０ 薄膜圧電共振器
１２ 圧電層
１４ 貫通孔
１６ 基板
１８，２０ 電極層
２２ 圧電共振器スタック
２６，２８ 電極端子
３０ 音響インピーダンス変換器
１００ 送受切換器
１０２ 送信ポート
１０４ 受信ポート
１０６ アンテナポート
１１０ 送信帯域フィルタ
１１１，１１３，１１５ 送信帯域フィルタの直列共振素子
１１２，１１４ 送信帯域フィルタの分路共振素子
１１７，１１８ ノード
１３０ 受信帯域フィルタ
１３１，１３３，１３５ 受信帯域フィルタの直列共振素子
１３２，１３４，１３６ 受信帯域フィルタの分路共振素子
１３７，１３８ ノード
１５０ 調整用薄膜圧電共振器
【発明の属する技術分野】
本発明は、通信機器の技術分野に属するものであり、特に薄膜圧電共振器を用いた送受切換器に関するものである。
【０００２】
【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】
セルラ電話のＲＦ回路部には常に小型化が求められる。最近では、機器における実装密度を高めるために、特にＲＦ回路部に対する高さ低減の要求が厳しく、従ってＲＦ回路部を構成するコンポーネントについても高さの低いものが求められている。また、低コストに製造できるように、各コンポーネントをできるだけ単一の部品で構成することが要求されている。特に、ＲＦ回路部を構成するコンポーネントの１つである送受切換器に関しては、耐電力が求められ、電力供給に対して破壊や特性劣化を起こさないことが必要である。
【０００３】
現在、この送受切換器は、セラミックフィルタやＳＡＷ（弾性表面波）フィルタを利用している。セラミックフィルタは、モノリシック化が可能で安価であるが、共振器の損失が大きく、それをカバーするために約２３×７×５ｍｍの寸法が必要であり、高さ低減の要求を十分に満たすことができない。一方、ＳＡＷフィルタは、小型であるが、高周波での耐電力に問題があり、送信の出力電力にサージが生ずると故障する可能性がある。また、特性改善のために、電子スイッチを併用した回路を構成することもできるが、その場合には回路構成が複雑になり、高価になる。
【０００４】
このような事情に鑑みて、特開２００１−２４４７６号公報には、送信帯域と受信帯域との分離が少なく、さらに高い電力レベルが要求されるＣＤＭＡ−ＰＣＳ装置等の用途における利用を可能にする送受切換器が提案されている。この送受切換器は、送信用帯域フィルタと受信用帯域フィルタと９０度移相器との３つの部品から構成されている。９０度移相器はそれぞれのフィルタを構成している薄膜圧電共振器（Ｆｉｌｍ Ｂｕｌｋ Ａｃｏｕｓｔｉｃ Ｒｅｓｏｎａｔｏｒ：“ＦＢＡＲ”と略称される）とは別個のものであり、インダクタ及びキャパシタの受動部品からなるものである。このため、特開２００１−２４４７６号公報に記載の送受切換器は、モノリシック化が難しく、十分な低コスト化は困難である。また、この送受切換器の９０度移相器を伝送線路により形成することも可能であるが、その場合には少なくとも十数ｍｍの長さが必要となり、フィルタに比べかなり大きなスペースが必要となり、小型化には不向きである。
【０００５】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、送信用フィルタと受信用フィルタとの接続部の構造を小形化することが可能で且つ送信用フィルタ及び受信用フィルタとのモノリシック化が可能なようにすることで、耐電力が良好で、小型且つ安価な送受切換器を提供することを目的とするものである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、以上の如き目的を達成するものとして、
送信ポート、受信ポート及び送受共用ポートと；
前記送信ポートと前記送受共用ポートとの間に接続され、薄膜圧電共振器からなる第１の直列素子及び薄膜圧電共振器からなる第１の分路素子を備えた第１の梯子型回路を含んでおり、送信通過周波数帯域を有する送信帯域フィルタと；
前記受信ポートと前記送受共用ポートとの間に接続され、薄膜圧電共振器からなる第２の直列素子及び薄膜圧電共振器からなる第２の分路素子を備えた第２の梯子型回路を含んでおり、前記送信通過周波数帯域とは重複しない受信通過周波数帯域を有する受信帯域フィルタとを含んで構成される送受切換器において、
前記送受共用ポートと前記第１の分路素子及び前記第２の分路素子との間に接続された少なくとも１つの調整用薄膜圧電共振器を備えており、該調整用薄膜圧電共振器の共振周波数は前記送信通過周波数帯域と前記受信通過周波数帯域との間に設定されていることを特徴とする送受切換器、
が提供される。
【０００７】
本発明の一態様においては、前記調整用薄膜圧電共振器は前記送受共用ポートとグランドとの間に接続されており、前記第１の分路素子及び前記第２の分路素子はグランドに接続されている。
【０００８】
本発明の一態様においては、前記送信通過周波数帯域は前記受信通過周波数帯域より低く、前記調整用薄膜圧電共振器の共振周波数は前記送信通過周波数帯域の上限周波数と前記受信通過周波数帯域の下限周波数との間に設定されている。
【０００９】
本発明の一態様においては、前記送信帯域フィルタは前記送信通過周波数帯域より高域側の減衰特性を高める少なくとも１つのインダクタを含む。本発明の一態様においては、前記インダクタは前記第１の直列素子のうちのいくつかに対して並列に接続されている。本発明の一態様においては、前記インダクタの一端は前記送信ポートと接続されている。
【００１０】
本発明の一態様においては、前記受信帯域フィルタは前記受信通過周波数帯域より低域側の減衰特性を高める少なくとも１つのキャパシタを含む。本発明の一態様においては、前記キャパシタは前記第２の直列素子のうちのいくつかに対して並列に接続されている。本発明の一態様においては、前記キャパシタの一端は前記受信ポートと接続されている。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照しながら説明する。
【００１２】
図１は、本発明の送受切換器の実施形態の構成を示すブロック図である。図１において、送受切換器１００は、送信帯域フィルタ１１０、受信帯域フィルタ１３０及び調整用薄膜圧電共振器１５０を含んでなる。送信帯域フィルタ１１０の一方端は第１のポート（送信ポート）１０２と接続されており、受信帯域フィルタ１３０の一方端は第２のポート（受信ポート）１０４と接続されている。送信帯域フィルタ１１０の他方端及び受信帯域フィルタ１３０の他方端は第３のポート（送受共用ポートとしてのアンテナポート）１０６と接続されている。調整用薄膜圧電共振器１５０は、一方端がアンテナポート１０６に接続されており（即ち送信帯域フィルタ１１０の他方端及び受信帯域フィルタ１３０の他方端と接続されており）、他方端がグランドに接続されている。送信ポート１０２は送信回路に接続され、受信ポート１０４は受信回路に接続され、アンテナポート１０６は送受信アンテナＡＮＴに接続される。
【００１３】
図２は、本実施形態の送受切換器１００の回路構成図である。調整用薄膜圧電共振器１５０は、送信帯域フィルタ１１０と受信帯域フィルタ１３０とを結びつけるように配置されている。送信帯域フィルタ１１０及び受信帯域フィルタ１３０は、いずれも複数の薄膜圧電共振器（ＦＢＡＲ）を含んでなるものである。
【００１４】
ここで、薄膜圧電共振器について簡潔に説明する。
【００１５】
図３は、薄膜圧電共振器の模式的平面図であり、図４はそのＸ−Ｘ断面図である。薄膜圧電共振器１０は、上面と下面との間を上下に貫通してエアーギャップを形成する貫通孔１４を有する基板１６と、該基板１６の上面上に該上面の貫通孔開口を形成する端縁により周縁部が支持されて吊られた形態の圧電スタック２２とを有する。該圧電スタック２２は、圧電層１２とその上下両面に接合された電極層１８，２０とからなる。電極層１８，２０にはそれぞれ端子２６，２８が付されており、該端子２６，２８には電源が接続される。圧電共振器スタック２２において、電極端子２６，２８の間に印加される電圧に応答して圧電層１２は矢印２４で示される方向に伸張及び収縮する。
【００１６】
圧電層１２は、例えば、酸化亜鉛（ＺｎＯ）や窒化アルミニウム（ＡｌＮ）のような薄膜として製造できる圧電材料を有する。電極層１８，２０は、例えば、金（Ａｕ）、モリブデン（Ｍｏ）、あるいはアルミニウム（Ａｌ）から成るものでよい。基板１６は、例えば、シリコン（Ｓｉ）、ＳｉＯ2 、ＧａＡｓ、あるいはガラスのような材料から成る。
【００１７】
圧電層１２と電極層１８，２０との積層体から構成される圧電共振器スタック２２は、その周縁部で吊られており、その主表面が両方とも空気その他の周囲ガス又は真空と接している。この場合、圧電共振器スタック２２はＱの高い音波共振器を形成する。端子２６，２８を介して電極層１８，２０に加えられる交流信号は、圧電共振器スタック２２における音速を該スタック２２の重み付き厚さの２倍で割った値に等しい周波数を持つものである。すなわち、ｆr ＝ｃ／２ｔ0 （ここで、ｆr は共振周波数であり、ｃはスタック２２内の音速であり、ｔ0 はスタック２２の重み付き厚さである）の場合、その交流信号によって、圧電共振器スタック２２が共振する。スタック２２を構成する層内における音速が各層を構成する材料ごとに異なるため、圧電共振器スタック２２の共振周波数は、物理的厚さではなく、圧電層１２や電極層１８，２０内の音速とそれらの物理的厚みとを考慮した重み付き厚さにより決まる。
【００１８】
図５は、図３及び図４のものとは異なる薄膜圧電共振器の模式的断面図である。この例は、貫通孔１４により形成されるエアーギャップの代わりに、音響インピーダンス変換器３０を用いていること以外は、図３及び図４のものと同様である。このような薄膜圧電共振器については、例えばＷ．Ｅ．Ｎｅｗｅｌｌの“Ｆａｃｅ−Ｍｏｕｎｔｅｄ Ｐｉｅｚｏｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｒｅｓｏｎａｔｏｒｓ”という論文（Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ｏｆ ｔｈｅ ＩＥＥＥ，ｐｐ．５７５〜５８１，Ｊｕｎｅ １９６５）等に記載されている。
【００１９】
図６は、以上のような薄膜圧電共振器１０の素子等価回路を示す。共振器の直列共振は等価インダクタンス（Ｌm ）及び等価キャパシタンス（Ｃm ）によって生じる。この共振器の直列共振周波数のインピーダンスは低い（すなわち、デバイスに全く損失がない理想的な場合、この共振器は分路のように機能する）。この直列共振周波数より低い周波数では、薄膜圧電共振器１０のインピーダンスは容量性を持つ。この直列共振周波数より高く且つ等価キャパシタンス（Ｃ0 ）から生じる並列共振周波数より低い周波数では薄膜圧電共振器１０のインピーダンスは誘導性がある。また、並列共振周波数より高い周波数では、薄膜圧電共振器１０のインピーダンスは再び容量性を持ち、並列共振周波数では共振器のインピーダンスは高くなり、損失のない理想系ではインピーダンスは無限となり、開路に似ている。本発明では、上記調整用薄膜圧電共振器１５０についての直列共振周波数の前後のインピーダンスの変化を利用することで、以下に述べるように送受切換器の構成を簡単且つ小型なものとしている。
【００２０】
再び図２を参照して、送信帯域フィルタ１１０及び受信帯域フィルタ１３０について更に詳細に説明する。
【００２１】
送信帯域フィルタ１１０は、薄膜圧電共振器からなる直列共振素子１１１，１１３，１１５と薄膜圧電共振器からなる分路共振素子１１２，１１４とにより梯子型回路を形成するように接続された（２＋１／２）段の帯域フィルタである。梯子型回路は、圧電共振器を用いて帯域フィルタを形成する一般的な手法である。直列共振素子１１１，１１３，１１５は、第１のポート（送信ポート）１０２と第３のポート（アンテナポート）１０６との間を接続している。分路共振素子１１２は、グランドと直列共振素子１１１，１１３間のノード１１７との間を接続している。分路共振素子１１４は、グランドと直列共振素子１１３，１１５間のノード１１８との間を接続している。
【００２２】
受信帯域フィルタ１３０は、薄膜圧電共振器からなる直列共振素子１３１，１３３，１３５と薄膜圧電共振器からなる分路共振素子１３２，１３４，１３６により梯子型回路を形成するように接続された３段の帯域フィルタである。直列共振素子１３１，１３３，１３５は、第２のポート（受信ポート）１０４と第３のポート（アンテナポート）１０６との間を接続している。分路共振素子１３２は、グランドと直列共振素子１３１，１３３間のノード１３７との間を接続している。分路共振素子１３４は、グランドと直列共振素子１３３，１３５間のノード１３８との間を接続している。分路共振素子１３６は、グランドと第２のポート（受信ポート）１０４との間を接続している。
【００２３】
調整用薄膜圧電共振器１５０は、一方端が第３のポートに接続されており（即ち送信帯域フィルタ１１０の直列共振素子１１１と受信帯域フィルタ１３０の直列共振素子１３１との接続部に接続されており）、他方端がグランドに接続されている。
【００２４】
調整用薄膜圧電共振器１５０は、一面において送信帯域フィルタ１１０の梯子型回路に付加された分路共振子として機能し、これにより３段の送信帯域フィルタ特性が得られる。電話機においては、通常、送信通過周波数帯域は受信通過周波数帯域より低く設定される。例えば、ＣＤＭＡ−ＰＣＳ電話機の場合、送信通過周波数帯域は１．８５〜１．９１ＧＨｚ、受信通過周波数帯域は１．９３〜１．９９ＧＨｚである。そのため、送信帯域フィルタ１１０は通過帯域より高い周波数で急峻で大きな減衰が要求される。３段の送信帯域フィルタ特性を得ることで、このような要求に沿った特性に近づけることができ、送受切換器の小型化が可能になる。
【００２５】
調整用薄膜圧電共振器１５０は、他面において受信帯域フィルタ１３０の梯子型回路に付加された分路共振子として機能し、これにより（３＋１／２）段の受信帯域フィルタ特性が得られる。受信帯域フィルタ１３０は通過帯域より低い周波数で急峻で大きな減衰が要求される。（３＋１／２）段の受信帯域フィルタ特性を得ることで、このような要求に沿った特性に近づけることができ、送受切換器の小型化が可能になる。
【００２６】
調整用薄膜圧電共振器１５０の直列共振周波数を、送信帯域フィルタ１１０の送信通過周波数帯域の上限値（ＣＤＭＡ−ＰＣＳ電話機の場合１．９１ＧＨｚ）より大きく且つ受信帯域フィルタ１３０の受信通過周波数帯域の下限値（ＣＤＭＡ−ＰＣＳ電話機の場合１．９３ＧＨｚ）より小さな適宜の値に設定することにより、送信帯域フィルタ１１０と受信帯域フィルタ１３０とが互いに影響を受けることなく、送受切換器１００を動作させることができる。これは、送信通過周波数帯域は共振器１５０の直列共振周波数より低いので、送信通過周波数帯域では共振器１５０は回路的に容量性を示し、ＬＰＦのような作用で受信帯域フィルタ１３０があたかも存在しないかのように振る舞う。また、受信通過周波数帯域は共振器１５０の直列共振周波数より高いので、受信通過周波数帯域では共振器１５０は回路的には誘導性を示し、ＨＰＦのような作用で送信帯域フィルタ１１０の存在を無視するように振る舞う。このため、共振器１５０が存在することで、第１のポート（送信ポート）１０２に印加される送信信号は第１のポート（送信ポート）１０２から第３のポート（アンテナポート）１０６に流れ、第２のポート（受信ポート）１０４や受信帯域フィルタ１３０にはほとんど影響を与えない。また、共振器１５０が存在することで、第３のポート（アンテナポート）１０６から入ってくる受信信号は送信帯域フィルタ１１０や第１のポート（送信ポート）１０２からの影響を受けずに、受信帯域フィルタ１３０を通り第２のポート（受信ポート）１０４に達する。このため、送受切換器として安定に作用する。
【００２７】
図７に、以上のような調整用薄膜圧電共振器１５０を有する送受切換器１００の送信通過特性Ｔｔ及び受信通過特性Ｒｔの一例を示す。
【００２８】
薄膜圧電共振器１５０は、送信帯域フィルタ１１０を構成する薄膜圧電共振器及び受信帯域フィルタ１３０を構成する薄膜圧電共振器とともに容易にモノリシック化することができるので、この意味においても送受切換器の小型化が可能になる。
【００２９】
図８は、本発明の送受切換器の更に別の実施形態の回路構成図である。本図において、上記図１〜７におけると同様の機能を有する部材または部分には同一の符号が付されている。
【００３０】
本実施形態では、送信帯域フィルタ１１０においてノード１１７と第１のポート（送信ポート）１０２とが追加受動素子たるインダクタ１２０で接続されており、即ちインダクタ１２０は直列共振素子１１３，１１５に対して並列に接続されている。各直列共振素子の等価キャパシタＣ0 とインダクタ１２０との間で追加の共振回路が形成され、これにより、所望の減衰帯域内（特に通過帯域に近く且つ該通過帯域より高い周波数）に新しい減衰極が形成され、少ない段数で一層よい送信フィルタ特性を得ることができる。
【００３１】
また、本実施形態では、ノード１３７と第２のポート１０４とが、追加受動素子たるキャパシタ１４０で接続されており、即ちキャパシタ１４０は直列共振素子１３３，１３５に対して並列に接続されている。各直列共振素子とキャパシタ１４０との間で追加の共振回路が形成され、これにより、所望の減衰帯域内（特に通過帯域に近く且つ該通過帯域より低い周波数）に新しい減衰極が形成され、少ない段数で一層よい受信フィルタ特性を得ることができる。
【００３２】
尚、以上の実施形態では調整用薄膜圧電共振器１５０を１つ用いたが、本発明では２つ以上の調整用薄膜圧電共振器を用いることも可能である。
【００３３】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、薄膜圧電共振器からなる素子を用いているので、１ワットを越える電力レベルにおいても信頼性又はフィルタ特性の安定性が損なわれない十分に急峻な減衰特性を備える送受切換器を提供することができる。また、セラミックフィルタに比べかなり小型で高さの低い送受切換器が提供ができ、送信帯域フィルタと受信帯域フィルタとの接続にも調整用薄膜圧電共振器を用いているので、モノリシック化が容易であり、送受切換器の製造コストを低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の送受切換器の構成を示すブロック図である。
【図２】本発明の送受切換器の回路構成図である。
【図３】薄膜圧電共振器の模式的平面図である。
【図４】図３のＸ−Ｘ断面図である。
【図５】薄膜圧電共振器の模式的断面図である。
【図６】薄膜圧電共振器の素子等価回路図である。
【図７】本発明の送受切換器の送信通過特性及び受信通過特性の一例を示すグラフである。
【図８】本発明の送受切換器の回路構成図である。
【符号の説明】
１０ 薄膜圧電共振器
１２ 圧電層
１４ 貫通孔
１６ 基板
１８，２０ 電極層
２２ 圧電共振器スタック
２６，２８ 電極端子
３０ 音響インピーダンス変換器
１００ 送受切換器
１０２ 送信ポート
１０４ 受信ポート
１０６ アンテナポート
１１０ 送信帯域フィルタ
１１１，１１３，１１５ 送信帯域フィルタの直列共振素子
１１２，１１４ 送信帯域フィルタの分路共振素子
１１７，１１８ ノード
１３０ 受信帯域フィルタ
１３１，１３３，１３５ 受信帯域フィルタの直列共振素子
１３２，１３４，１３６ 受信帯域フィルタの分路共振素子
１３７，１３８ ノード
１５０ 調整用薄膜圧電共振器
Claims (9)
- 送信ポート、受信ポート及び送受共用ポートと；
前記送信ポートと前記送受共用ポートとの間に接続され、薄膜圧電共振器からなる第１の直列素子及び薄膜圧電共振器からなる第１の分路素子を備えた第１の梯子型回路を含んでおり、送信通過周波数帯域を有する送信帯域フィルタと；
前記受信ポートと前記送受共用ポートとの間に接続され、薄膜圧電共振器からなる第２の直列素子及び薄膜圧電共振器からなる第２の分路素子を備えた第２の梯子型回路を含んでおり、前記送信通過周波数帯域とは重複しない受信通過周波数帯域を有する受信帯域フィルタとを含んで構成される送受切換器において、
前記送受共用ポートと前記第１の分路素子及び前記第２の分路素子との間に接続された少なくとも１つの調整用薄膜圧電共振器を備えており、該調整用薄膜圧電共振器の共振周波数は前記送信通過周波数帯域と前記受信通過周波数帯域との間に設定されていることを特徴とする送受切換器。 - 前記調整用薄膜圧電共振器は前記送受共用ポートとグランドとの間に接続されており、前記第１の分路素子及び前記第２の分路素子はグランドに接続されていることを特徴とする、請求項１に記載の送受切換器。
- 前記送信通過周波数帯域は前記受信通過周波数帯域より低く、前記調整用薄膜圧電共振器の共振周波数は前記送信通過周波数帯域の上限周波数と前記受信通過周波数帯域の下限周波数との間に設定されていることを特徴とする、請求項１〜２のいずれかに記載の送受切換器。
- 前記送信帯域フィルタは前記送信通過周波数帯域より高域側の減衰特性を高める少なくとも１つのインダクタを含むことを特徴とする、請求項３に記載の送受切換器。
- 前記インダクタは前記第１の直列素子のうちのいくつかに対して並列に接続されていることを特徴とする、請求項４に記載の送受切換器。
- 前記インダクタの一端は前記送信ポートと接続されていることを特徴とする、請求項５に記載の送受切換器。
- 前記受信帯域フィルタは前記受信通過周波数帯域より低域側の減衰特性を高める少なくとも１つのキャパシタを含むことを特徴とする、請求項３〜６のいずれかに記載の送受切換器。
- 前記キャパシタは前記第２の直列素子のうちのいくつかに対して並列に接続されていることを特徴とする、請求項７に記載の送受切換器。
- 前記キャパシタの一端は前記受信ポートと接続されていることを特徴とする、請求項８に記載の送受切換器。
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