JP4011035B2

JP4011035B2 - 弾性表面波フィルタおよびデュプレクサ

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Publication number: JP4011035B2
Application number: JP2004107363A
Authority: JP
Inventors: 芳一木原; 英子若田
Original assignee: TDK Corp
Current assignee: TDK Corp
Priority date: 2004-03-31
Filing date: 2004-03-31
Publication date: 2007-11-21
Anticipated expiration: 2024-03-31
Also published as: JP2005295202A

Description

本発明は、弾性表面波フィルタおよびデュプレクサに係り、特に直列腕共振器と並列腕共振器とをラダー型に接続した弾性表面波フィルタ（以下、ＳＡＷフィルタという）と、該フィルタを含むデュプレクサに関する。

携帯電話機などの移動体通信機器では、小型かつ高機能化に適する点から、高周波帯域フィルタとしてＳＡＷフィルタが近年広く使用されている。かかるＳＡＷフィルタは、弾性表面波を励振する櫛形電極（インターデジタルトランスデューサ：Interdigital Transducer／以下、ＩＤＴという）と、ＩＤＴの両側に配置されてＩＤＴで励起される弾性表面波を閉じ込める反射器とからなるＳＡＷ共振器を圧電基板上に形成し、この共振器を用い、所定の通過域を有するフィルタを構成する。

共振器の接続構造としては、ラダー型に共振器を接続する回路構成が知られている。すなわち、このラダー型ＳＡＷフィルタは、入力端と出力端とを結ぶ直列腕と、直列腕と基準電位とを結ぶ並列腕とを有し、直列腕に直列腕共振器として一端子対ＳＡＷ共振器が、並列腕に並列腕共振器として同じく一端子対ＳＡＷ共振器がそれぞれ接続されている。各共振器の接続個数は、当該フィルタが目的とする特性に応じて適宜選択される。

また、このようなＳＡＷフィルタを開示するものとして下記特許文献がある。

特開平１１−３４０７７４号公報特許第３２５５１２８号公報

ところで、帯域通過フィルタは、所定の通過帯域で挿入損失を低く抑え、かつ通過帯域外では大きな減衰が得られることが望まれる。

ところが、上記ラダー型ＳＡＷフィルタは、通過帯域の至極近傍の周波数領域では大きな減衰量を得ることが出来るものの、通過帯域から周波数が離れるに従い急激に減衰量が低下する特性がある。したがって、例えば送受信信号を分波するデュプレクサを構成する場合、減衰域の帯域幅は、通過域の帯域幅と同程度である場合が多いため、このような減衰特性では、相手方フィルタの通過帯域で十分な減衰量が得られない場合がある。

一方、通過帯域外におけるこのような特性を改善しようとすると、通過帯域における挿入損失が増大し、通過帯域での特性劣化を引き起こす。

フィルタを形成する共振器自体の構成や接続個数・配置構成など様々な設計上の工夫がなされているが、通過帯域外で幅広くかつ高い減衰量を得ることは容易ではない。

また、上記特許文献１の発明は、通過帯域での減衰量周波数特性を平坦性して広帯域化を図るもので、減衰域での特性を改善できるものではない。さらに、上記特許文献２の発明は、通過帯域におけるフィルタ特性の急峻性を高めることを目的としたものである。

したがって、本発明の目的は、挿入損失を増大させることなく通過帯域外で従来より広く平坦な減衰を得ることが可能なＳＡＷフィルタを提供することにある。

本発明者は、ラダー型ＳＡＷフィルタについて実験・検討を行った。本発明のＳＡＷフィルタの各構成は、かかる実験結果（詳細は図面を参照しつつ後述する）に基づいてなされたものである。

すなわち、ラダー型ＳＡＷフィルタにおいて、直列腕共振器のＩＤＴにおける一方のバスバーと、他方のバスバーに接続されている電極指の先端との距離（以下、ギャップ長という）を、電極指対の周期（電極指のピッチ）λより大きくすると、周波数−インピーダンス特性における反共振点の高周波側にスパイク状のピークが現れ、当該フィルタのインピーダンスが増大される。このピークは、ギャップ長を変えるとその周波数位置が変化することから、ＩＤＴのバスバーと電極指との間のギャップで発生する副次共振モードによるものと考えられる。

本発明のＳＡＷフィルタでは、この副次共振モードによるピークを利用し、当該フィルタの通過帯域外における減衰量を増大させ、減衰域の平坦化を図る。

ギャップ長と周波数との関係は、具体的には、ギャップ長を電極指対の周期λに一致させた場合（１λとした場合）には、かかる副次共振モードピーク（共振周波数）は、ＳＡＷ共振器の主共振モードの反共振周波数とほぼ重なってしまい、上記インピーダンスの増加による減衰量増大の効果を得ることは出来ない。

一方、ギャップ長を１λより大きくしていくと、上記副次共振モードのピークが高域化していく（周波数が大きい方にずれていく）。また同時に、ギャップ長が大きくなるにつれ、かかる副次共振モードピークによるインピーダンス増加量は小さくなり、５λ以上になると、副次共振モードのピークは明確に現われなくなる。また、かかる副次共振モードを発生させても、主共振モードの共振点および反共振点に影響を与えることは殆どなく、通過帯域の特性劣化は見られない。

したがって、本発明のＳＡＷフィルタでは、直列腕共振器のＩＤＴのギャップ長を１λを超えかつ５λ以下の値とする。これにより、副次共振モード（導波モード）を発生させ、かつその副次共振モードの周波数位置をフィルタ減衰域の反共振点より高い周波数に設定することにより、ラダー型フィルタの減衰域に当たる部位のインピーダンスを増大させ、従来のＳＡＷフィルタに較べより大きな通過帯域外減衰量を得る。

本発明のＳＡＷフィルタは、２以上の直列腕共振器と１以上の並列腕共振器とをラダー型に接続してなる弾性表面波フィルタであって、前記２以上の直列腕共振器のうち、第一の直列腕共振器のインターデジタルトランスデューサにおける一方のバスバーと、他方のバスバーに接続されている電極指の先端との距離を、電極指対の周期をλとしたときに、１λより大きくかつ５λ以下の第一の値とし、第二の直列腕共振器のインターデジタルトランスデューサにおける前記距離を１λより大きくかつ５λ以下の前記第一の値とは異なる第二の値とした。

上述のように、ラダー型ＳＡＷフィルタにおいて直列腕共振器のＩＤＴのギャップ長を変化させると、副次共振モードピークの周波数位置がずれていく。したがって、複数個有する直列腕共振器について各共振器のギャップ長を異なる値とすれば、減衰域において複数の副次共振モードピークを発生させることが可能となる。

本発明のフィルタでは、上記１λより大きくかつ５λ以下の範囲内で複数の直列腕共振器のギャップ長を異なる値に設定し、これにより互いに異なる周波数の複数の副次共振モードピークを発生させ、より広い周波数領域において平坦な減衰域を形成する。

一例を述べれば、３個の直列腕共振器を含む３段のＳＡＷフィルタを構成する場合には、第一の直列腕共振器のＩＤＴのギャップ長を例えば２λ、第二の直列腕共振器のＩＤＴのギャップ長を例えば３λ、第三の直列腕共振器のＩＤＴのギャップ長を例えば４λとする。尚、かかるラダー型フィルタの段数（共振器の数）、および各ギャップ長の大きさ（例えば１．５λ、２．４λ等々、λの整数倍でなくても良い）・組合せは、これ以外にも様々に設定することが可能であり、これらに限定されるわけではない。

上記ＳＡＷフィルタでは、直列腕共振器のＩＤＴにおける電極指の交差長を、５λから２０λの範囲内の値としても良い。

上記実験の結果、電極指の交差長を変えると、その変化に伴い、主共振モードに対する副次共振モードの寄与の度合いが変わることがわかった。すなわち、ＩＤＴの電極指の交差長を大きくしていくと、副次共振モードの周波数は変化しないが、副次共振モードによるインピーダンスの増加量が次第に小さくなる。特に、交差長が２０λを超えると、かかる副次共振モードによるインピーダンス増加量が小さくなって減衰特性の改善効果が少なくなる。一方、逆に電極指の交差長を小さくしていくと、主共振モードの反共振インピーダンスが低下する。特に、交差長を５λより小さくした場合には、かかる主共振モードの反共振インピーダンスの劣化が大きくなる。

したがって、本発明のＳＡＷフィルタでは、直列腕共振器のＩＤＴにおける電極指の交差長を５λから２０λの範囲内の値に設定しても良く、これにより上記副次共振モードによる減衰特性の改善を図ることが出来る。

上記ＳＡＷフィルタを構成する圧電基板としては、例えばＬｉＴａＯ₃基板を使用することが出来る。

本発明のデュプレクサは、前記ＳＡＷフィルタを含むものである。

前記ＳＡＷフィルタによってデュプレクサを構成することにより、相手方フィルタの通過帯域で平坦かつ高い減衰特性を有するデュプレクサを形成することが出来る。

本発明によれば、通過域における特性を劣化させることなく、通過帯域外で平坦でより大きな減衰特性を得ることが可能となる。

本発明の他の特徴および利点は、以下の本発明の実施の形態の説明により明らかにする。

以下、添付図面を参照しつつ本発明の実施の形態（以下、本実施形態という）を説明する。

図１は、本発明の一実施形態に係るラダー型ＳＡＷフィルタを示すものである。
同図に示すようにこのＳＡＷフィルタ１１は、入力端子１２と出力端子１３とを結ぶ直列腕１４に３個のＳＡＷ共振器２１，２２，２３を設けるとともに、該直列腕１４と基準電位１５とを結ぶ並列腕１６，１７に２個のＳＡＷ共振器２４，２５を設け、これら直列腕共振器２１〜２３と並列腕共振器２４，２５とにより４段のラダー型ＳＡＷフィルタを構成したものである。

かかるフィルタ１１において、各ＳＡＷ共振器２１〜２５は、図２に示すように、圧電基板上に形成した、弾性表面波を励振するＩＤＴ（Interdigital Transducer）３１と、ＩＤＴ３１の両側に配置されてＩＤＴ３１で励振される弾性表面波を閉じ込める短絡型グレーティング反射器４１（図２では片側の反射器のみを示す）とを有する一端子対ＳＡＷ共振器により構成する。

ＩＤＴ３１は、正規型ＩＤＴであり、表面波伝搬方向に沿って延びる一対のバスバー３２ａ，３２ｂを有する。これらバスバーのうち一方のバスバー３２ａには、複数本の電極指３３ａの一端が接続され、各電極指３３ａは、表面波伝搬方向と直交する方向に、すなわち他方のバスバー３２ｂに向け延びている。同様に、他方のバスバー３２ｂには、複数本の電極指３３ｂの一端が接続されており、各電極指３３ｂは、前記一方のバスバー３２ａに向け延びている。各電極指３３ａ，３３ｂは、互いに間挿し合うように配置されており、電極指の対数はこの例では８０対、電極指の周期はλである。尚、図２では、電極指の対数は実際より少なく表現している。

直列腕共振器２１〜２３の共振周波数は、並列腕共振器２４，２５の反共振周波数に略一致させてある。また、上記ＳＡＷ共振器２１〜２５（ＩＤＴ３１および反射器４１）を形成する圧電基板としては、例えばＬｉＴａＯ₃基板を使用することができ、電極指３３ａ，３３ｂ、バスバー３２ａ，３２ｂおよび接続線路３４ａ，３４ｂはアルミニウムで構成する。また、後に述べる理由により、各直列腕共振器２１〜２３のバスバーの交差長ｗを、５λから２０λの範囲内の値とするとともに、電極指先端と対向するバスバーとの距離（ギャップ長）Ｇａｐを、１λより大きな値とする。例えば、第一の直列腕共振器２１のギャップ長を２λ、第二の直列腕共振器２２のギャップ長を３λ、第三の直列腕共振器２３のギャップ長を４λとする。

図３は従来の一端子対ＳＡＷ共振器の周波数−インピーダンス特性を示し、図４は該従来の一端子対ＳＡＷ共振器によって本実施形態と同様に４段のラダー型ＳＡＷフィルタを構成した場合の減衰特性を示す概念図である。尚、該一端子対ＳＡＷ共振器では、電極指の交差長ｗを２５λ、ギャップ長Ｇａｐを０．２λとしている。

一方、図５は本実施形態で使用する上記一端子対ＳＡＷ共振器（図２）の周波数−インピーダンス特性を示し、図６は本実施形態に係るラダー型ＳＡＷフィルタ１１の減衰特性を示す概念図である。また、図７は、本実施形態に係るラダー型ＳＡＷフィルタ１１の減衰特性（ギャップ長Ｇａｐと減衰量との関係）を示す線図である。

これらの図からわかるように、直列腕共振器２１〜２３のＩＤＴ３１におけるギャップ長Ｇａｐを０．２λから、２λ、３λ、４λ、５λと大きくしていくと、反共振点の右側（高周波側）にピークが現れ、このピークがギャップ長Ｇａｐの増大に伴い周波数の高い方に移っていく。尚、ギャップ長を１λとした場合には、当該ピークは主共振モードの反共振点とほぼ重なってしまう。また、フィルタの減衰特性（図６，図７）としては、ギャップ長Ｇａｐの増大に伴い、高域側の減衰域に下方に突出する膨らみが現れ、減衰量が増加し、減衰特性が改善される。

上記ピークは、副次共振モードによるもので、次のような原理に基づくものと考えられる。

図８は、本実施形態の一端子対ＳＡＷ共振器における導波モード（副次共振モード）の表面波の伝搬状態を示す模式図であり、上からＩＤＴ、ギャップ部およびバスバーの各領域を示している。

同図を参照して、ＩＤＴで励振される弾性表面波は、主として電極指の配列方向（図の左右方向）に伝搬されるが、実際には該方向だけでなく、これと交差する方向（以下、横方向という）にも放射されている。一方、ＩＤＴ領域、ギャップ部領域、バスバー領域の各領域における表面波の速度を、それぞれＶ1、Ｖ2、Ｖ3とすると、上記本実施形態の一端子対ＳＡＷ共振器では、接続線路、バスバーおよび電極指の材質および膜厚が等しい場合には、Ｖ1＜Ｖ2、Ｖ3＜Ｖ2の関係にある。したがって、ＩＤＴ領域で励振された弾性表面波の横方向成分５１ａは、表面波速度の異なるギャップ部領域とバスバー領域との境界によって反射し、ギャップ部領域中を伝搬する導波モード５１ｂ，５１ｃとなる。これが、本発明で利用する上記副次共振モードであると考えられる。

尚、例えば他の設計要件から、接続線路やバスバー、電極指の材質や膜厚等が変更される場合には、例えばバスバー部の電極質量を増加したり、あるいはギャップ部のＤｕｔｙを変更すること等により、上記副次共振モードのギャップ部領域への閉じ込め条件（Ｖ1＜Ｖ2、Ｖ3＜Ｖ2）を満たすようにし、本発明のフィルタを構成すれば良い。

さらに、図９は、ＩＤＴの交差長ｗと副次共振モードとの関係を示す線図であり、ギャップ長を２λに固定して電極指の交差長を変えた場合の副次共振モードピークの変化を示すものである。尚、電極容量は同じになるよう対数にて調整した。

同図からわかるように、交差長ｗを大きくしていくと、副次共振モードの周波数は変化しないが、ピークの高さ（インピーダンス）が小さくなっていく。実験の結果、交差長ｗを２０λ以上とした場合には、副次共振モードは非常に小さくなり、上記副次共振モードによる本発明の減衰量改善効果は小さなものとなった。

さらに、副次共振モードと主共振モードとのインピーダンス比をとり、これと交差長との関係について検討を行った。結果は、下記表１および図１０に示すとおりである。尚、ギャップ長が０．２λ、交差長が２５λのときのインピーダンスをＺref、同一周波数での副次共振モードのインピーダンスをＺsubとした。

表１および図１０からわかるように、交差長が２０λを超えると、副次共振モードによるインピーダンス増加量は３％程度と小さくなり、減衰特性の改善効果も小さくなった。

一方、逆にギャップ長を５λより小さくした場合には、主共振モードの反共振インピーダンスが劣化し、フィルタの減衰特性を損ねることとなった。

したがって、本発明では電極指の交差長を５λから２０λの範囲内に設定する。

以上により、本実施形態のＳＡＷフィルタでは、上記図１における直列腕共振器２１〜２３のＩＤＴのギャップ長Ｇａｐを１λより大きくする。これにより、減衰量を増大させ、減衰特性を改善することが出来る。また、第一の直列腕共振器２１におけるギャップ長を２λ、第二の直列腕共振器２２におけるギャップ長を３λ、第三の直列腕共振器２３におけるギャップ長を４λとする。これにより、減衰域を平坦化することが可能となる。尚、本発明においては、ギャップ長は１λより大きくかつ５λ以下の値であれば、他の値としても良く、第一から第三の各直列腕共振器２１〜２３のギャップ長について、他の数値の組み合わせとすることも可能である。

さらに、図１１は、本発明に係るデュプレクサの一例を示すものである。このデュプレクサ７１は、共通端子７４に接続された互いに異なる帯域中心周波数を有する２つのＳＡＷフィルタ７２，７３、すなわち低周波側フィルタ７２と高周波側フィルタ７３とを備えたもので、低周波側フィルタ７２を前記実施形態に係るＳＡＷフィルタ１１により形成した。尚、共通端子７４は、アンテナ端子に接続される。

かかるデュプレクサ７１では、該低周波側フィルタ７２に関し、高周波側フィルタ７３の通過帯域で平坦かつ高い減衰特性を得ることが可能となる。

以上、本発明の実施の形態について図面に基づいて説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載の範囲内で種々の変更を行うことが出来る。

例えば、直列腕共振器および並列腕共振器の配設個数（接続段数）、各ギャップ長の大きさ・組合せは、前記実施形態以外にも様々に設定することが可能である。また、本発明のＳＡＷフィルタは、携帯電話機の送受信部のデュプレクサに使用して好適なものであるが、これに限定されるものではなく、ＰＨＳや通信機能を備えたＰＤＡ、無線ＬＡＮカードその他、様々な電子通信機器に適用することが可能である。

本発明の実施形態に係るラダー型ＳＡＷフィルタを示す回路図である。本実施形態のＳＡＷフィルタで使用する一端子対ＳＡＷ共振器を示す図である。従来の一端子対ＳＡＷ共振器の周波数−インピーダンス特性を示す概念図である。従来のラダー型ＳＡＷフィルタの減衰特性を示す概念図である。本実施形態で使用する一端子対ＳＡＷ共振器の周波数−インピーダンス特性を示す概念図である。本実施形態に係るラダー型ＳＡＷフィルタの減衰特性を示す概念図である。本実施形態に係るラダー型ＳＡＷフィルタの減衰特性（ギャップ長と減衰量との関係）を示す線図である。本実施形態の一端子対ＳＡＷ共振器における副次共振モードの表面波の伝搬状態を示す模式図である。本実施形態について、ＩＤＴの交差長と副次共振モードとの関係を示す線図である。本実施形態について、ＩＤＴの交差長と、副次共振モードと主共振モードのインピーダンス比Ｚref／Ｚsubとの関係を示す線図である。本発明に係るデュプレクサの一例を示す図である。

符号の説明

１１ラダー型ＳＡＷフィルタ
１２入力端子
１３出力端子
２１，２２，２３直列腕共振器
２４，２５並列腕共振器
３１ＩＤＴ
３２ａ，３２ｂバスバー
３３ａ，３３ｂ電極指
３４ａ，３４ｂ接続線路
４１反射器
７１デュプレクサ
７２低周波側フィルタ
７３高周波側フィルタ
７４共通端子

Claims

２以上の直列腕共振器と１以上の並列腕共振器とをラダー型に接続してなる弾性表面波フィルタであって、
前記２以上の直列腕共振器のうち、第一の直列腕共振器のインターデジタルトランスデューサにおける一方のバスバーと、他方のバスバーに接続されている電極指の先端との距離を、電極指対の周期をλとしたときに、１λより大きくかつ５λ以下の第一の値とし、第二の直列腕共振器のインターデジタルトランスデューサにおける前記距離を１λより大きくかつ５λ以下の前記第一の値とは異なる第二の値とした
ことを特徴とする弾性表面波フィルタ。
前記直列腕共振器のインターデジタルトランスデューサにおける電極指の交差長を、５λから２０λの範囲内の値とした
ことを特徴とする請求項１に記載の弾性表面波フィルタ。
前記フィルタを構成する圧電基板が、ＬｉＴａＯ₃基板である
ことを特徴とする請求項１または２に記載の弾性表面波フィルタ。
請求項１から３のいずれか一項に記載の弾性表面波フィルタを含むデュプレクサ。