JP4200629B2 - 縦結合多重モードｓａｗフィルタ - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は縦結合多重モードＳＡＷフィルタ（以下多重モードＳＡＷフィルタ）に関し、特にフィルタ特性の通過帯域近傍の低域側阻止域に発生する高次縦モードによるスプリアスを抑圧した多重モードＳＡＷフィルタに関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、ＳＡＷデバイスは通信分野で広く利用され、高性能、小型、量産性等の優れた特徴を有することから特に携帯電話等に多く用いられている。
図４は、従来の二重モードＳＡＷフィルタの構成を示す平面図であって、圧電基板１１の主面上に表面波の伝播方向に沿って２つのＩＤＴ電極１２、１３を近接配置すると共に、これらの両側にグレーティング反射器（以下、反射器と称す）１４ａ、１４ｂを配設して構成したものである。
ＩＤＴ電極１２、１３はそれぞれ互いに間挿し合う複数本の電極指を有する一対のくし形電極より構成し、ＩＤＴ電極１２の一方のくし形電極は入力端子INに接続し、他方のくし形電極は接地する。さらに、ＩＤＴ電極１３の一方のくし形電極は出力端子OUTに接続し、他方のくし形電極は接地して構成する。
【０００３】
図４に示す二重モードＳＡＷフィルタの動作は、周知のように、ＩＤＴ電極１２、１３によって励起される複数の表面波が反射器１４ａ、１４ｂの間に閉じ込められて音響的に結合し、電極パターン構成により１次と２次の２つの縦共振モードが強勢に励振されるため、適当な終端を施すことにより、これら２つのモードを利用した２重モードＳＡＷフィルタとして動作する。なお、該二重モードＳＡＷフィルタの通過帯域幅は１次共振モードと２次共振モードとの周波数差で決まることは周知の通りである。
【０００４】
図５に示す曲線α（実線）は、図４に示す電極パターンを用いて、圧電基板１１に45゜XカットZ伝搬四硼酸リチウム（Li₂B₄O₇）基板、入出力ＩＤＴ電極１２、１３の電極対数を共に31.5対、反射器１４ａ、１４ｂの本数をそれぞれ50本、アルミニウム合金の電極膜厚を1.6％λt（λtはＩＤＴ電極１２、１３の電極周期）とし、フィルタの中心周波数を71MHzになるようにＩＤＴ１２、１３の電極周期を設定した場合の二重モードＳＡＷフィルタのフィルタ特性である。なお、重ね書きした破線βは反射器１４ａあるいは１４ｂのストップバンド特性である。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、図４に示したような従来の二重モードＳＡＷフィルタのフィルタ特性は、図５の曲線αに示すように高次縦モード（３次、４次等の縦モード等）によるスプリアスのため、通過帯域近傍の低周波側阻止域の減衰量が大幅に劣化するという問題があった。
本発明は上記課題を解決するためになされたものであって、通過帯域近傍の低域側に発生するスプリアスを抑圧した多重モードＳＡＷ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に係る縦結合多重モードＳＡＷフィルタの請求項１記載の発明は、圧電基板の主面上に表面波の伝搬方向に沿って複数のＩＤＴ電極を近接配置すると共に、その両側にグレーティング反射器を配設して構成する縦結合多重モードＳＡＷフィルタにおいて、前記グレーティング反射器を１波長当たり３本の電極指にて構成したことを特徴とする縦結合多重モードＳＡＷフィルタである。請求項２記載の発明は、前記圧電基板の電気機械結合係数の自乗をｋ²、前記グレーティング反射器のモード間結合係数をκ₁₂'としたとき、該モード間結合係数κ₁₂'を６．４×ｋ²／π² ≦２×｜κ₁₂'｜≦３×６．４×ｋ²／π² を満たすように設定したことを特徴とする請求項１記載の縦結合二重モードＳＡＷフィルタである。請求項３記載の発明は、前記グレーティング反射器の１波長当たりの３本の電極指のうち、少なくとも２本の電極指幅は互いに異なっていることを特徴とする請求項１又は２に記載の縦結合二重モードＳＡＷフィルタである。
【０００７】
【発明の実施の形態】
以下本発明を図面に示した実施の形態に基づいて詳細に説明する。
図１（ａ）は本発明に係る二重モードＳＡＷフィルタの構成を示す平面図であって、圧電基板１の主面上に表面波の伝搬方向に沿ってＩＤＴ電極２、３を近接配置すると共に、その両側に反射器４ａ、４ｂを配設して構成したものである。ＩＤＴ電極２、３はそれぞれ互いに間挿し合う複数本の電極指を有する一対のくし型電極から構成し、ＩＤＴ電極２の一方のくし型電極は入力端子ＩＮに接続し、他方のくし型電極は接地する。さらに、ＩＤＴ電極３の一方のくし形電極は出力端子ＯＵＴに接続すると共に、他方のくし形電極は接地する。
【０００８】
本発明の特徴はＩＤＴ電極２、３の両側に配置した反射器４ａ、４ｂの構造にある。図１（ｂ）に反射器４ａ、４ｂの要部を示すように、１波長λ（励起される表面波の波長）あたり電極指３本を配置した構造の繰り返しから構成されている。即ち、反射器の１波長λは、幅Ｗ１の電極指と、幅Ｇ１のスペースと、幅Ｗ２の電極指と、幅Ｇ２のスペースと、幅Ｗ３（＝Ｗ２）の電極指と、幅Ｇ３（＝Ｇ１）のスペースとから構成されている。
【０００９】
ＳＴカット水晶、４５゜ＸカットＺ伝搬Ｌｉ₂Ｂ₄Ｏ₇、Ｘカット112゜Ｙ伝搬ＬｉＴａＯ₃等の圧電基板では、該基板の電気機械結合係数ｋから主として決まるフィルタの通過帯域幅に比べ、反射器が形成するストップバンド幅の方がはるかに広いという特徴がある。これは図５に破線βで示したストップバンド幅と、実線αで示したフィルタ特性の通過帯域幅とを比較すれば明らかである。
このように、通過帯域を中心として低域及び高域側の阻止域まで広範囲にわたり、反射器のストップバンドが形成されている。このため不要な高次縦モード、例えば３次、４次等の縦モードまでもがストップバンド内に存在することになり、該波動の振動エネルギーが反射器間に閉じ込められ、所謂閉じ込めモードとなって、大きなスプリアスが通過帯域の低域側に発生することになる。
【００１０】
そこで、反射器が形成するストップバンド幅を狭めて、該ストップバンド内に高次縦モードが入らないようにすれば、高次縦モードによるスプリアスを抑圧できるのではないかと推測した。
一方、通過帯域の良好な二重モードＳＡＷフィルタを得るためには、通過帯域を形成する１次と２次の縦振動モードはストップバンド内のほぼ中心に配置し、該モードの振動エネルギーが閉じ込められていることが条件となる。
【００１１】
縦結合多重モードＳＡＷフィルタの通過帯域幅Ｂ_Wは、周知のように使用する圧電基板の電気機械結合係数k²に依存し、次式のように近似される。
Ｂ_W＝0.8/(π²/(8×k²))＝6.4×k²/π² （１）
また、反射器のストップバンド幅Ｓ_Bはモード間結合係数κ₁₂'を用いて次式のように表されることはよく知られている。
Ｓ_B＝２×｜κ₁₂'｜ （２）
低損失の二重モードＳＡＷフィルタを得るためには、通過帯域幅Ｂ_Wは、反射器のストップバンドＳ_B内に存在しなければならないため、Ｂ_W＜Ｓ_B、つまり
6.4×k²/π² ＜２×|κ₁₂'| （３）
となる必要がある。
【００１２】
ところで、二重モードＳＡＷフィルタにおいては、励起される高次縦モードの周波数は通過域の低域側にほぼ等間隔で生ずるので、スプリアスのうち最も低次の３次縦モードは、通過帯域の低周波端からおおよそ通過帯域幅Ｂ_W程度離れた位置に出現する。つまり、不要な３次縦モード以上を反射器が形成するストップバンド幅Ｓ_Bの外に配置すれば、即ちＳ_B＜３×Ｂ_Wとすれば高次縦モードによるスプリアスを抑圧することが可能であると思われる。式（１）、（２）を用いて次式のように表される。
２×|κ₁₂'| ≦ ３×6.4×k²/π² （４）
【００１３】
式（３）と（４）とから、通過帯域特性を良好に保持しつつ、不要な３次モード以上の高次縦モードを抑圧するためには、次式を満足すればよいことになる。
6.4×k²/π² ≦２×|κ₁₂'| ≦ ３×6.4×k²/π² （５）
ここで、電気機械結合係数k²は使用する圧電材料と切断角度とによって決まり、モード間結合係数κ₁₂'は電気機械結合係数k²と反射器の電極指構造とに依存する。
ＳＴカット水晶、４５゜ＸカットＺ伝搬Ｌｉ₂Ｂ₄Ｏ₇、Ｘカット112゜Ｙ伝搬ＬｉＴａＯ₃の圧電基板は、該基板上に構成する二重モードＳＡＷフィルタの通過帯域幅に比べ、反射器が形成するストップバンド幅の方がはるかに広い基板である。このため、高次縦モードによるスプリアスを抑圧するためには、反射器のモード間結合係数κ₁₂'を小さく設定する必要がある。κ₁₂'を小さくするためには、１波長λに配置した電極指の反射ベクトルの合成値が小さくなるように、電極指の位置とその幅を設定すればよい。例えば、図１（ｂ）に示すように１波長λに電極指幅のことなる３本の電極指を配置してモード間結合係数κ₁₂'を小さくすることができる。
【００１４】
４５゜ＸカットＺ伝搬Ｌｉ₂Ｂ₄Ｏ₇圧電基板（以下、ＬＢＯ基板と称す）を用いて二重モードＳＡＷフィルタを構成する場合、その反射器の構造を検討してみる。ＬＢＯ基板の電気機械結合係数k²は、周知のように約１％であるので、式（５）より反射器のモード間結合係数κ₁₂'は、
0.00648 ≦２×|κ₁₂'| ≦ 0.01944 （６）
を満たすように設定すればよい。
そこで、図１（ｂ）に示すように、１波長が幅Ｗ１の電極指と、幅Ｇ１のスペースと、幅Ｗ２の電極指と、幅Ｇ２のスペースと、幅Ｗ２の電極指と、幅Ｇ１のスペースとからなる反射器を繰り返し接続して構成した反射器のモード間結合係数κ₁₂'をシミュレーションによって求めてみた。
モード間結合係数κ₁₂'が式（６）の上限値0.00972に設定するためには、電極膜厚を1.6％λとし、Ｗ１＝0.224λ、Ｗ２＝0.092λ、Ｇ１＝0.246λ、Ｇ２＝0.080λと設定すればよい。この構成を２５組、即ち７５本から反射器反射器４ａ、４ｂを形成し、入力出ＩＤＴ電極２、３の電極対数をそれぞれ31.5対とした場合のフィルタ特性を図２に示す。同図から３次縦モードによるスプリアスは９ｄＢ程度であり、５ｄＢ程度改善できていることが分かる。
【００１５】
スプリアスをさらに改善すべく、モード間結合係数κ₁₂'を式（６）の下限値0.00324に設定するためには、電極膜厚を1.6％λとし、Ｗ１＝0.119λ、Ｗ２＝0.063λ、Ｇ１＝0.268λ、Ｇ２＝0.219λとすればよい。該構成のものを２５組、即ち７５本で反射器４ａ、４ｂを構成し、ＩＤＴ電極２、３の電極対数は図３の場合と同様にそれぞれ31.5対としたときのフィルタ特性を図３に示す。同図から３次縦モードによるスプリアスは１８ｄＢと１３ｄＢ程度改善されていることが判明した。
すなわち、反射器のモード間結合係数κ₁₂'が式（６）を満たすように、反射器の電極指構造を設定することにより、二重モードＳＡＷフィルタの高次縦モードによるスプリアスを抑圧することが可能となった。しかも、モード間結合係数κ₁₂'の値が下限に近い方がスプリアスの抑圧の効果が大きい。
【００１６】
なお、以上の説明では圧電基板に４５゜ＸカットＺ伝搬Ｌｉ₂Ｂ₄Ｏ₇基板を用い、２つのＩＤＴ電極とその両側に反射器を配置した１次−２次縦結合二重モードＳＡＷフィルタについて説明したが、本発明はこれのみに限定するものではなく、１次−３次縦結合二重モードＳＡＷフィルタ、１次−２次−３次縦結合三重モードＳＡＷフィルタ、縦結合多重モードＳＡＷフィルタに適用できることは明らかである。
また、圧電基板としてはＳＴカット水晶、Ｘカット112゜Ｙ伝搬ＬｉＴａＯ₃基板、ランガサイト基板にも適用できることは云うまでもない。
【００１７】
【発明の効果】
本発明は、以上説明したように構成したので、ＳＴカット水晶、４５゜ＸカットＺ伝搬Ｌｉ₂Ｂ₄Ｏ₇、Ｘカット112゜Ｙ伝搬ＬｉＴａＯ₃基板等を用いた多重モードＳＡＷフィルタにおいて、通過帯域近傍の低域側に発生する高次縦モードによるスプリアスを抑圧することが可能となったので、本発明になるフィルタを無線通信機器等のＩＦフィルタとして用いれば無線機の特性を改善する上で優れた効果を表す。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）は本発明に係る１次−２次縦結合二重モードＳＡＷフィルタの構成を示す平面図、（ｂ）は反射器の要部を拡大して示した平面図である。
【図２】 本発明になる１次−２次縦結合二重モードＳＡＷフィルタのフィルタ特性を示す図である。
【図３】本発明になる１次−２次縦結合二重モードＳＡＷフィルタのフィルタ特性を示す図である。
【図４】従来の１次−２次縦結合二重モードＳＡＷフィルタの構成を示す平面図である。
【図５】従来の１次−２次縦結合二重モードＳＡＷフィルタのフィルタ特性αと反射器のストップバンド特性βとを重ね書きした図である。
【符号の説明】
１・・圧電基板
２、３・・ＩＤＴ電極
４ａ、４ｂ・・グレーティング反射器
λ・・励起される表面波の波長
Ｗ１、Ｗ２・・グレーティング反射器の電極指幅
Ｇ１、Ｇ２・・グレーティング反射器スペース幅

Claims (3)

1. 圧電基板の主面上に表面波の伝搬方向に沿って複数のＩＤＴ電極を近接配置すると共に、その両側にグレーティング反射器を配設して構成する縦結合多重モードＳＡＷフィルタにおいて、前記グレーティング反射器を１波長当たり３本の電極指にて構成したことを特徴とする縦結合多重モードＳＡＷフィルタ。
2. 前記圧電基板の電気機械結合係数の自乗をｋ²、前記グレーティング反射器のモード間結合係数をκ₁₂'としたとき、該モード間結合係数κ₁₂'を６．４×ｋ²／π²≦２×｜κ₁₂'｜≦３×６．４×ｋ²／π² を満たすように設定したことを特徴とする請求項１記載の縦結合二重モードＳＡＷフィルタ。
3. 前記グレーティング反射器の１波長当たりの３本の電極指のうち、少なくとも２本の電極指幅は互いに異なっていることを特徴とする請求項１又は２に記載の縦結合二重モードＳＡＷフィルタ。

Images