JP4586897B2

JP4586897B2 - 分波器

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Publication number: JP4586897B2
Application number: JP2008165030A
Authority: JP
Inventors: 圭一梅田; 健一上坂; 高志三宅
Original assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Priority date: 2008-06-24
Filing date: 2008-06-24
Publication date: 2010-11-24
Anticipated expiration: 2028-06-24
Also published as: JP2010010832A; US20090315640A1; DE102009030483A1; US9231557B2; DE102009030483B4

Description

本発明は分波器に関し、詳しくは、例えば携帯電話システムに好適な分波器に関する。

従来、例えば移動無線帯域の送受信信号の分離に用いられる分波器において、図７の電気回路図に示すように、受信パスＲＸ内に弾性表面波で動作する受信フィルタ１を設け、送信パスＴＸ内にバルク音響波で動作する送信フィルタ２を設けることが提案されている（例えば、特許文献１参照）。
特表２００８−５０４７５６号公報

しかしながら、この分波器は、送信フィルタに、弾性表面波で動作する弾性表面波（ＳＡＷ）共振器よりも２次の非線形特性が劣るバルク音響波で動作する圧電薄膜（ＢＡＷ）共振器を用いているため、ＩＭＤ（intermodulation distortion；相互変調歪み）の発生が顕著である。

本発明は、かかる実情に鑑み、相互変調歪み（ＩＭＤ）の発生を抑制できる分波器を提供しようとするものである。

本発明は、上記課題を解決するために、以下のように構成した分波器を提供する。

分波器は、直列共振器と並列共振器とが梯子型に接続された送信フィルタと、受信フィルタとを備える。前記送信フィルタの前記直列共振器及び並列共振器の共振器うち、前記送信フィルタと前記受信フィルタとが接続される共通端に最も近い共振器が弾性表面波共振器又は弾性境界波共振器で構成され、それ以外の少なくとも１つが圧電薄膜共振器で構成されている。

上記構成によれば、送信フィルタの共振器のうち、最も共通端に近い共振器を、圧電薄膜共振器に比べ２次の非線形性特性が優れている弾性表面波共振器又は弾性境界波共振器で構成することにより、送信フィルタの共振器の全てを圧電薄膜共振器で構成する場合に比べ、ＩＭＤの発生を抑制できる。一方、送信フィルタの他の共振器の少なくとも１つを圧電薄膜共振器で構成することにより、送信フィルタの共振器の全てを圧電薄膜共振器で構成する場合と同様に、圧電薄膜共振器によって、アンテナと送信部との間の挿入損失を低減でき、耐電力性に優れた構成とすることができる。

好ましくは、前記送信フィルタの前記直列共振器及び並列共振器のうち、前記共通端に最も近いのは前記並列共振器である。当該並列共振器と、前記送信フィルタの前記直列共振器のうち前記共通端に最も近い１つの前記直列共振器とが、弾性表面波共振器又は弾性境界波共振器で構成されている。

この場合、最も共通端に近い並列共振器と、その次に共通端に近い直列共振器の２つの共振器を弾性表面波共振器又は弾性境界波共振器で構成することにより、ＩＭＤの発生を確実に抑制できる。

好ましくは、前記送信フィルタの前記直列共振器及び並列共振器の少なくとも１つを構成する前記圧電薄膜共振器は、（ａ）基板と、（ｂ）該基板の一方主面に沿って一対の電極の間に圧電薄膜が配置され、かつ前記基板から音響的に分離されている振動部とを備える。前記一対の電極の厚みが実質的に同一である。

この場合、振動部は、圧電薄膜の両側の電極が圧電薄膜に関して対称に配置された構造となるため、振動が厚み方向に対称に伝搬する状態となり、２次の非線形現象を抑制できる。したがって、ＩＭＤの発生がさらに抑制できる。

好ましくは、前記送信フィルタの前記直列共振器及び並列共振器の少なくとも１つを構成する前記圧電薄膜共振器の前記振動部は、前記一対の電極のそれぞれ前記圧電薄膜とは反対側に配置された一対の絶縁膜をさらに備える。前記一対の絶縁膜の厚みが実質的に同一である。

この場合、ＩＭＤの発生を抑制しつつ、耐電極性を向上させることができる。

好ましくは、前記送信フィルタの前記直列共振器及び並列共振器の少なくとも１つを構成する前記圧電薄膜共振器は、（ａ）基板と、（ｂ）該基板の一方主面に沿って一対の電極の間に圧電薄膜が配置され、かつ前記基板から音響的に分離されている振動部とを備える。前記振動部を厚み方向から透視したとき、前記一対の電極同士が圧電薄膜を介して重なる前記振動部の外周縁は、隣接する２辺が曲線で滑らかにつながれている。

この場合、圧電薄膜共振器の振動部の角部を曲線で形成することにより、振動部内での振動反射状態が振動部の角部で不連続にならないようにすることができるので、ＩＭＤの発生をさらに抑制できる。

好ましくは、前記送信フィルタの前記直列共振器及び並列共振器の少なくとも１つを構成する前記圧電薄膜共振器は、（ａ）基板と、（ｂ）該基板の一方主面に沿って一対の電極の間に圧電薄膜が配置され、かつ前記基板から音響的に分離されている振動部と、（ｃ）前記電極に接続される引き回し配線とを備える。前記振動部を厚み方向から透視したとき、前記引き回し配線は、前記一対の電極同士が圧電薄膜を介して重なっている前記振動部に接続される部分の輪郭が、滑らかな曲線で前記振動部の外周縁につながっている。

この場合、圧電薄膜共振器において、引き回し配線の振動部との接続部分に曲線部を備えることにより、振動部での振動反射状態が引き回し配線との接続部分で不連続にならないようにすることができるので、ＩＭＤの発生がさらに抑制される。

本発明によれば、分波器の送信フィルタを構成する共振器に弾性表面波共振器又は弾性境界波共振器と圧電薄膜共振器とを用い、共通端に最も近い共振器に弾性表面波共振器又は弾性境界波共振器を用いることで、ＩＭＤの発生を抑制できる。

以下、本発明の実施の形態について、図１〜図６を参照しながら説明する。

＜実施例１＞実施例１の分波器１００について、図１〜図５を参照しながら説明する。

図１の電気回路図に示すように、実施例１の分波器１００は、共振器１０１〜１１２と、縦結合フィルタ１２０とを備え、アンテナ端とＴｘ端及びＲｘ端の間に、送信フィルタ１００ａと受信フィルタ１００ｂとを構成する。インダクタＬ１〜Ｌ７は、分波器１００自体が備えても、分波器１００に外付けされてもよい。

アンテナ端とＴｘ端との間に構成される送信フィルタ１００ａは、梯子型に接続された４つの直列共振器１０１，１０３，１０５，１０７と３つの並列共振器１０２，１０４，１０６とを備える。アンテナ端とＲｘ端との間に構成される受信フィルタ１００ｂは、共振器１０９ａ，１０９ｂ；１１０；１１１ａ，１１１ｂ；１１２と縦結合型フィルタ１２０とを備える。受信フィルタ１００ｂの共振器１０９ａ及び１０９ｂを一つの共振器で構成してもよい。また、受信フィルタ１００ｂの共振器１１１ａ及び１１１ｂを一つの共振器で構成してもよい。

Ｔｘ端には、不平衡（アンバランス信号）を入・出力できる。受信フィルタは不平衡信号を平衡信号（バランス信号）に変換する機能を持ち、Ｒｘ端には、平衡信号が出力される。

送信フィルタ１００ａの共振器１０１〜１０７のうち最もアンテナ端側に配置されている共振器１０１、すなわち、送信フィルタ１００ａと受信フィルタ１００ｂとが接続される共通端１００ｘに最も近い共振器１０１は、弾性表面波（ＳＡＷ）共振器又は弾性境界波共振器で構成され、それ以外の共振器１０２〜１０７は圧電薄膜（ＢＡＷ）共振器で構成されている。

受信フィルタ１００ｂの共振器１０９ａ，１０９ｂ；１１０；１１１ａ，１１１ｂ；１１２や縦結合型フィルタ１２０は、送信フィルタ１００ａのＳＡＷ共振器又は弾性境界波共振器の共振器１０１と、同一のチップに形成してもよい。例えば、タンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ_３)基板上の同一チップ内に、送信フィルタ１００ａの直列共振器１１１と、受信フィルタ１００ｂを構成する共振器１０９ａ，１０９ｂ；１１０；１１１ａ，１１１ｂ；１１２及び縦結合型フィルタ１２０とを全て形成し、基板内で配線することで、図１のように接続してもよい。

また、受信フィルタ１００ｂの共振器１１０，１１２は、ＢＡＷ共振器で構成し、送信フィルタ１００ａ内のＢＡＷ共振器で構成する共振器１０２〜１０７と同一のチップに形成してもよい。

このように、弾性表面波共振器又は弾性境界波共振器と圧電薄膜共振器とを用いて、分波器の送信フィルタ１００ａ及び受信フィルタ１００ｂを構成すると、次のような効果が得られる。

第１に、相互変調歪み（ＩＭＤ）の発生が低減し、受信信号へのノイズ混入が少なくなる。これにより、例えば分波器１００を携帯電話システムに用いると、携帯電話システム自体の品質が向上する。

すなわち、分波器におけるＩＭＤとは、図２の説明図に示すように、Ｔｘ端から入力される送信信号（Ｔｘ信号）５０と、アンテナ端から入力される予期せぬ妨害波５２とが、非線形特性を持った分波器の内部で合成され、Ｒｘ端からノイズとなる受信信号５４を生成してしまうことである。

一般には、非線形性を備えた半導体素子で形成されたミキサ回路などで積極的に利用されている現象であるが、分波器においては受信信号の品質を劣化させてしまうため、極力ＩＭＤの発生を低減する必要がある。

分波器において、Ｔｘ信号と妨害波が合成され、ＩＭＤ発生の主な原因となる箇所の１つは、図１において送信フィルタ１００ａ内のアンテナ端に近い共振器１０１である。

よって、送信フィルタ１００ａ内の共振器１０１には、ＢＡＷ共振器よりも非線形歪効果の小さいＳＡＷ共振器や弾性境界波共振器を用いることで、分波器１００内でのＩＭＤ発生を抑制できる。

第２に、送信フィルタ１００ａの大部分に、ＳＡＷ共振器や弾性境界波共振器よりもＱ値の大きいＢＡＷ共振器を用いることで、低損失な送信フィルタ１００ａを備えた分波器１００が実現できる。

これによって、例えば携帯電話システムにおいて、低消費電力化に貢献できる。また、急峻性に優れたフィルタを備えた分波器が実現でき、ＣＤＭＡＰＣＳ方式やＵＭＴＳＢａｎｄ２、３、８方式といった送信帯域と受信帯域の間隔が狭い携帯電話方式に用いる分波器が実現できる。

第３に、送信フィルタ１００ａ側のＴｘ端には、パワーアンプで増幅されたハイパワーの信号が入力され、一般に発熱が大きくなる。送信フィルタ１００ａを構成する共振器の大部分１０２〜１０７に、ＳＡＷ共振器よりも耐電力性に優れたＢＡＷ共振器を用いることで、高耐電力な送信フィルタ１００ａを備えた分波器１００が実現できる。

第４に、受信フィルタのＳＡＷ共振器と送信フィルタ内のＳＡＷ共振器１０１を同一のチップに形成した場合、分波器に搭載するチップ数が２チップとなり、分波器の小型化、低コスト化が実現できる。

第５に、受信フィルタ１００ａ内の共振器１１０，１１２をＢＡＷ共振器にし、送信フィルタ１００ａ内のＢＡＷ共振器１０２〜１０７と受信フィルタ１００ｂ内の共振器１１０，１１２を同一チップに形成した場合、ＳＡＷ共振器よりもサージ耐圧が高いＢＡＷ共振器をＲｘ端に接続するため、Ｒｘ端のサージ耐圧が向上する。

図３は、送信フィルタ１００ａや受信フィルタ１００ｂを構成するＢＡＷ共振器の要部断面図である。送信フィルタ１００ａや受信フィルタ１００ｂを構成するＢＡＷ共振器は、圧電薄膜１６を挟持する一対の電極１５，１７の外側に絶縁膜１４，１８が配置され、厚み方向（図において上下方向）に対して垂直方向（例えば、図において紙面垂直方向）から見たときに、圧電薄膜１６に対して実質的に対称構造にすることが好ましい。

典型的には、上部電極１７と下部電極１５とを同じ材料を用いて同じ厚みに形成し、上部電極１７に接して配置される上部絶縁膜１８と下部電極１５に接して配置される下部絶縁膜１４とを同じ材料を用いて同じ厚みに形成する。

圧電薄膜１６に対して厚み方向の構造が対称であると、振動が圧電薄膜１６の厚み方向両側に伝搬する状態が対称となり、２次の非線形現象が抑制される。すなわち、このようなＢＡＷ共振器を用いた分波器では、ＩＭＤの発生が抑制される。

振動伝搬の状態が対称となれば２次の非線形現象が抑制されるので、振動伝搬の状態が実質的に対称となる程度に、上部電極１７及び上部絶縁膜１８の合計厚みと、下部電極１５及び下部絶縁膜１４の合計厚みとがおおよそ一致する構成であればよく、上部電極１７と下部電極１５の厚みが多少異なったり、上部絶縁膜１８と下部絶縁膜１４の厚みが多少異なったりしても、ＩＭＤの発生が抑制される。

すなわち、圧電薄膜１６の両側に配置される一対の電極１５，１７の厚みが実質的に同一であることが好ましい。さらに、それぞれの電極１５，１７の圧電薄膜１６とは反対側に配置された絶縁膜１４，１８の厚みが実質的に同一であると、より好ましい。

図４（ａ）は、図１において鎖線で囲まれている送信フィルタの共振器１０２〜１０７の構成を書き直した電気回路図である。図４（ａ）のＰｏｒｔ１は、図１の直列共振器１０１に接続される。図４（ａ）のＰｏｒｔ３及びＰｏｒｔ４は、図１のインダクタＬ３に接続される。図４（ａ）のＰｏｒｔ５は、図１のインダクタＬ４に接続される。図４（ａ）のＰｏｒｔ２は、図１のインダクタＬ５に接続される。

図４（ｂ）は、図４（ａ）に示した直列共振器Ｓ１〜Ｓ３と並列共振器Ｐ１〜Ｐ３のチップ内のレイアウトを示す、厚み方向から透視した透視図である。各共振器Ｓ１〜Ｓ３，Ｐ１〜Ｐ３の振動部６０は、引き回し配線６４で接続されている。振動部６０は、一対の電極同士が圧電薄膜を介して重なっている部分である。

図４（ｂ）に示すように、引き回し配線６４は一定幅ではなく、振動部６０に接近するほど引き回し配線６４の幅が急激に広がっている。引き回し配線６４は、振動部６０に接続される部分の輪郭が、滑らかな曲線で振動部６０の外周縁につながっている。このように、引き回し配線６４が振動部６０に接続される部分に曲線部を備えることにより、振動部６０での振動反射状態が引き回し配線６４との接続部分で不連続にならないようにすることができるので、ＩＭＤの発生が抑制される。

さらに、図４（ｃ）の拡大透視図に示すように、振動部６０の外周縁の角部６２は丸く形成されており、振動部６０の外周縁は、隣り合う辺同士が滑らかな曲線でつながれている。

このように振動部６０の角部を曲線で形成することにより、振動部６０内での振動反射状態が振動部６０の角部で不連続にならないようにすることができるので、ＩＭＤの発生を抑制できる。

送信フィルタ１００ａや受信フィルタ１００ｂを構成するＢＡＷ共振器は、図５の断面図に示すように、種々の構成とすることができる。

図５（ａ）は、圧電薄膜１６を挟持する一対の電極１５，１７の外側に絶縁膜１４，１８が配置された振動部１０が、空隙１３を介して基板１２から浮いた状態で支持されている例である。空隙１３は、基板１２上に犠牲層を形成し、その上に各層１４〜１８を形成した後、犠牲層を除去することにより形成できる。下部絶縁膜１４は、上部絶縁膜１８とは異なる材料で構成してもよい。

図５（ｂ）は、圧電薄膜１６を挟持する一対の電極１５，１７の外側に絶縁膜１４，１８が配置された振動部１０が、基板１２を貫通する空洞１２ｓの上に配置されている例である。空洞１２ｓは、振動部１０を形成した基板を裏側からエッチングすることにより形成できる。この場合、基板１２に接する絶縁膜１４には、エッチングされない材料を用いる。

図５（ｃ）は、圧電薄膜１６を挟持する一対の電極１５，１７の外側に絶縁膜１４，１８が配置された振動部１０が、基板１２に形成された非貫通の空洞（くぼみ）１２ｔの上に配置されている例である。基板１２に予め空洞１２ｔを形成しておき、空洞１２ｔに犠牲層を埋め込んだ状態で振動部１０を形成した後、犠牲層を除去する。

図５（ｄ）〜（ｆ）は、振動部１０ａと基板１２との間に音響反射層を配置した例である。音響反射層は、音響インピーダンスが相対的に低い低音響インピーダンス層３０と、相対的に高い高音響インピーダンス層３２とが交互に配置されており、例えば音響インピーダンスが異なる材料を交互に積層することによって形成することができる。

図５（ｄ）は、基板１２上に全体的に音響反射層が形成され、その上に振動部１０ａが形成されている例である。

図５（ｅ）は、基板１２の空洞（くぼみ）１２ｋの中に音響反射層３０，３２が形成され、その上に振動部１０ａが形成されている例である。

図５（ｆ）は、基板１２の一部に音響反射層３０，３２が形成され、その上に振動部１０ａが形成されている例である。

なお、下部電極１５に接する音響反射層３０は、振動部１０ａの下部絶縁膜として機能させてもよい。

＜実施例２＞実施例２の分波器について、図６を参照しながら説明する。

実施例２の分波器は、実施例１と略同様に構成されている。以下では、相違点を中心に説明する。

図６の電気回路図に示すように、実施例２の分波器２００は、共振器２０１〜２１２と、縦結合型フィルタ２２０とを備え、アンテナ端とＴｘ端及びＲｘ端の間に、送信フィルタ２００ａと受信フィルタ２００ｂとを構成する。インダクタＬ１〜Ｌ７は、分波器２００自体が備えても、分波器２００に外付けされてもよい。

実施例２の分波器２００は、送信フィルタ２００ａの構成が実施例１とは異なる。すなわち、アンテナ端とＴｘ端との間に配置される送信フィルタ２００ａは、梯子型に接続された３つの直列共振器２０２，２０４，２０６と４つの並列共振器２０１，２０３，２０５，２０７とを備える。

送信フィルタ２００ａの共振器２０１〜２０７とのうち最もアンテナ端側に配置されている共振器２０１、すなわち、送信フィルタ２００ａと受信フィルタ２００ｂとが接続される共通端２００ｘに最も近い共振器２０１と、その次に接続されている共振器２０２は、弾性表面波（ＳＡＷ）共振器又は弾性境界波共振器で構成され、それ以外の共振器２０３〜２０７は圧電薄膜（ＢＡＷ）共振器で構成されている。

一方、アンテナ端とＲｘ端との間に配置される受信フィルタ２００ｂは、実施例１と同じ構成であり、共振器２０９ａ，２０９ｂ；２１０；２１１ａ，２１１ｂ；２１２と縦結合型フィルタ２２０とを備える。受信フィルタ２００ｂの共振器２０９ａ及び２０９ｂを一つの共振器で構成してもよい。また、受信フィルタ２００ｂの共振器２１１ａ及び２１１ｂを一つの共振器で構成してもよい。

上記のように、２つの共振器２０１，２０２に弾性表面波共振器又は弾性境界波共振器を用いても、実施例１と同じ効果が得られる。

＜まとめ＞以上のように、送信フィルタを構成する共振器のうち、少なくとも最もアンテナ端に近い共振器を弾性表面波共振器又は弾性境界波共振器で構成し、送信フィルタの他の共振器を圧電薄膜共振器で構成することにより、送信フィルタの全ての共振器を圧電薄膜共振器で構成する場合よりも、ＩＭＤの発生を抑制することができる。また、送信フィルタの全ての共振器を圧電薄膜共振器で構成する場合と同程度に、アンテナと送信部との間の挿入損失を低減でき、耐電力性に優れている。

なお、本発明は、上記実施の形態に限定されるものではなく、種々変更を加えて実施することが可能である。

分波器の電気回路図である。（実施例１）説明図である。（実施例１）主要部断面図である。（実施例１）分波器のレイアウト図である。（実施例１）圧電薄膜共振器の断面図である。（実施例１）分波器の電気回路図である。（実施例２）分波器の電気回路図である。（従来例）

符号の説明

１０，１０ａ振動部
１２基板
１４絶縁膜
１５下部電極
１６圧電薄膜
１７上部電極
１８絶縁膜
１００分波器
１００ａ送信フィルタ
１００ｂ受信フィルタ
１００ｘ共通端
１０１直列共振器
１０２並列共振器
１０３直列共振器
１０４並列共振器
１０５直列共振器
１０６並列共振器
１０７直列共振器
２００分波器
２００ａ送信フィルタ
２００ｂ受信フィルタ
２００ｘ共通端
２０１並列共振器
２０２直列共振器
２０３並列共振器
２０４直列共振器
２０５並列共振器
２０６直列共振器
２０７並列共振器

Claims

直列共振器と並列共振器とが梯子型に接続された送信フィルタと、受信フィルタとを備える分波器であって、
前記送信フィルタの前記直列共振器及び並列共振器の共振器うち、前記送信フィルタと前記受信フィルタとが接続される共通端に最も近い共振器が弾性表面波共振器又は弾性境界波共振器で構成され、それ以外の少なくとも１つが圧電薄膜共振器で構成されていることを特徴とする、分波器。
前記送信フィルタの前記直列共振器及び並列共振器のうち、前記共通端に最も近いのは前記並列共振器であり、
当該並列共振器と、前記送信フィルタの前記直列共振器のうち前記共通端に最も近い１つの前記直列共振器とが、弾性表面波共振器又は弾性境界波共振器で構成されていることを特徴とする、請求項１に記載の分波器。
前記送信フィルタの前記直列共振器及び並列共振器の少なくとも１つを構成する前記圧電薄膜共振器は、
基板と、
該基板の一方主面に沿って一対の電極の間に圧電薄膜が配置され、かつ前記基板から音響的に分離されている振動部と、
を備え、
前記一対の電極の厚みが実質的に同一であることを特徴とする、請求項１又は２に記載の分波器。
前記送信フィルタの前記直列共振器及び並列共振器の少なくとも１つを構成する前記圧電薄膜共振器の前記振動部は、
前記一対の電極のそれぞれ前記圧電薄膜とは反対側に配置された一対の絶縁膜をさらに備え、
前記一対の絶縁膜の厚みが実質的に同一であることを特徴とする、請求項３に記載の分波器。
前記送信フィルタの前記直列共振器及び並列共振器の少なくとも１つを構成する前記圧電薄膜共振器は、
基板と、
該基板の一方主面に沿って一対の電極の間に圧電薄膜が配置され、かつ前記基板から音響的に分離されている振動部と、
を備え、
前記振動部を厚み方向から透視したとき、前記一対の電極同士が圧電薄膜を介して重なる前記振動部の外周縁は、隣接する２辺が曲線で滑らかにつながれていることを特徴とする、請求項１又は２に記載の分波器。
前記送信フィルタの前記直列共振器及び並列共振器の少なくとも１つを構成する前記圧電薄膜共振器は、
基板と、
該基板の一方主面に沿って一対の電極の間に圧電薄膜が配置され、かつ前記基板から音響的に分離されている振動部と、
前記電極に接続される引き回し配線と、
を備え、
前記振動部を厚み方向から透視したとき、前記引き回し配線は、前記一対の電極同士が圧電薄膜を介して重なっている前記振動部に接続される部分の輪郭が、滑らかな曲線で前記振動部の外周縁につながっていることを特徴とする、請求項１又は２に記載の分波器。