JP4713087B2 - 分散音響反射ドットを用いた加重ｓａｗ反射器 - Google Patents

Description

本発明は、一般的には、ＳＡＷフィルタまたはＳＡＷ共振器において用いるための加重（重み付けされた）表面音響波（弾性波）反射器に関し、更に特定すれば、隣接するグリッド（格子）線間のギャップ内、格子線上、あるいは非周期的に離間した格子線上またはその間にランダムに分布した音響反射ドットを有する格子線を用い、所望の有効反射特性が得られるようにした、加重表面弾性波反射器に関する。

移動電話通信システムにおいて用いる表面弾性波（ＳＡＷ）フィルタは、小型で、帯域外阻止性能に優れ、遷移縁（エッジ）が急峻な狭い帯域幅が得られるように設計されている。従来のＳＡＷフィルタは、入力トランスデューサ（変換器）と出力トランスデューサを含み、これらは圧電基板上に形成されている。入力トランスデューサは、濾波（フィルタリング）する電気入力信号によって電気的に励起される。入力トランスデューサは、この電気入力信号をレイリー（Rayleigh）波、ラム波(lamb wave)等のような表面弾性波に変換し、この表面弾性波は基板に沿って出力トランスデューサまで伝搬する。出力トランスデューサは、弾性波をフィルタリングされた電気信号に変換する。

入力トランスデューサおよび出力トランスデューサは、基板の上面に形成された櫛形（インターディジタル）電極を含むのが通例である。電極の形状および間隔が、入力トランスデューサによって生成される弾性波の中心周波数および帯域形状を決定する。一般に、電極の幅が狭い程、または波長当たりの電極数が少ない程、動作周波数は高くなる。特定の周波数における表面弾性波の振幅は、トランスデューサが発生する弾性波の加算的干渉（強め合う干渉）によって決定される。

これらのトランスデューサの長さを足し合わせたものが、フィルタ全体の長さとなる。理想的なフィルタ特性を有する従来のＳＡＷフィルタを設計するには、フィルタのインパルス応答を非常に長くする必要がある。インパルス応答の長さは、トランスデューサの長さに正比例するので、理想的な特性を有する従来のＳＡＷフィルタの全長は長過ぎて、移動電話通信システムでは用いることができない。

この問題を解決するために、反射ＳＡＷフィルタが開発された。反射ＳＡＷフィルタは、概略的に、少なくとも１つの入力トランスデューサと、１つの出力トランスデューサと、１つの反射器とを有し、これらは圧電基板上に形成されている。反射器は、通例では、格子線を含む反射グレーティングであり、これらは間に間隙（ギャップ）を規定するように離間されている。入力トランスデューサからの弾性波は反射器によって受信され、グレーティング内部の格子線によって反射され、反射波は、互いに対して加算的および減算的（相殺的）に干渉し、波路は折り返されている。この折り返しのために、トランスデューサの長さは、もはやインパルス応答の持続期間には依存しない。つまり、反射ＳＡＷフィルタは、小型化され、高い周波数選択性を有するので、移動電話通信システムには望ましいものである。

反射ＳＡＷフィルタの周波数応答は、個々の反射器を重み付けして所望の有効（ネット）反射率を得ることによって、更に改善される。既存の重み付け方法は、位置重み付け、省略（オミッション）重み付け(omission-weighting)、およびストリップ幅重み付け(strip-width weighting)を含む。その他の反射器に重み付けする方法には、開放−短絡（オープン・ショート）反射器構造において、開放回路とした反射ストリップの長さを変えることが含まれる。反射器を重み付けすることによって、通過帯域のリップルが減少し、阻止帯域におけるサイドローブ・レベルが低下するので、周波数応答が改善する。

前述の反射器を重み付けする方法は全て、反射器の限界（臨界）寸法に依存する。反射器の臨界寸法は、最も小さい反射器の格子幅またはギャップ幅であり、フィルタの動作周波数に反比例する。動作周波数が高くなる程、臨界寸法は減少する。製作上の制約によって臨界寸法が制限されるので、フィルタの動作周波数も制限されることになる。動作周波数が高くなると、殆どの反射器は、選択性の高いフィルタに要求される広い範囲の反射率を実現する場合、ダイナミック・レンジが限界に達する。現在のフィルタのように、その臨界寸法による厳しい制約を受けなくてもよい反射フィルタがあれば、有利であろう。

反射フィルタの理想的な周波数応答は、急峻な遷移縁で高い周波数選択性を有し、応答に高い形状係数を与える。反射器の臨界寸法が反射器の強度とは無関係であれば、広い範囲の反射率が達成され、狭い帯域幅や急峻な遷移縁を得ることができる。

したがって、今日のＳＡＷフィルタのように反射率関数が構造の臨界寸法に制限されず、高い反射率および高い周波数選択性を有して動作することができる反射器が求められている。

本発明の教示によれば、ＳＡＷフィルタまたは共振器用の反射グレーティングを開示する。この反射グレーティングは、今日のＳＡＷフィルタ程グレーティングの臨界寸法によって制限されない。この反射グレーティングは、圧電基板上に製作された一連の格子線を含み、それらの間にはギャップが規定されている。格子線上、またはグレーティングの隣接する格子線間のギャップ内に、分散音響反射ドットを形成することによって、反射グレーティングに重み付けを行う。

グレーティングの反射率は、反射格子内の反射ドットの分散配置(disbursement)によって部分的に決定される。反射ドット密度、波動伝搬方向を横断する位置、およびサンプリング周期における波動伝搬方向の反射ドットの配列が、グレーティング反射率を決定する。各サンプリング周期は、各Ｎ波長（λ）毎のＭ本の格子線によって規定され、λはフィルタの中心周波数ｆ₀における波長、ＭおよびＮは整数であって、Ｍ＞Ｎである。λは、Ｖ／ｆ₀で定義され、Ｖは基板上の表面弾性波の伝搬速度である。反射ドット密度および配列は、サンプリング周期毎に変化させることができる。反射した波の振幅および位相を制御するのは、Ｎλのサンプリング周期内における反射ドットの密度と配列である。これは、更に、波動伝搬方向において格子線の非均一な間隔を含むように一般化することができる。

本発明の更に別の適用可能分野は、以下に提示する詳細な説明から明白になるであろう。尚、詳細な説明および具体的な例は、本発明の特定的な実施形態を示すが、例示のみを目的とし、本発明の範囲を限定する意図ではないことは言うまでもない。

本発明の実施形態に関する以下の説明は、ＳＡＷフィルタ用の加重表面弾性波反射器を対象とするが、単なる一例に過ぎず、本発明あるいはその用途または使用を限定することは全く意図していない。

図１は、本発明の教示による、圧電基板１２上に製作した反射ＳＡＷフィルタ１０の平面図である。反射ＳＡＷフィルタ１０は、双方向櫛形（すだれ状）トランスデューサ１４（ＳＡＷが両方向に同等に伝搬する）と、出力櫛形トランスデューサ１６と、本発明による反射グレーティング１８とを含む。入力トランスデューサ１４および出力トランスデューサ１６は、端部バス・バー２２に結合された複数の均一間隔櫛形電極フィンガ２０を含む。反射ＳＡＷフィルタ１０は、入力線２４上の入力トランスデューサ１４に印加される電気入力信号によって励起される。入力トランスデューサ１４は、この電気信号を、対象中心周波数を有する表面弾性波２８に変換する。表面弾性波２８は、出力トランスデューサ１４から圧電基板１２の表面に沿って外に向かって伝搬する。

弾性波エネルギ２８の約半分が出力トランスデューサ１６によって受け取られ、再度電気エネルギに変換されて、出力線３０上に送られる。弾性波エネルギ２８の残りの半分は、反射グレーティング１８によって受け取られ、反射され入力トランスデューサ１４を通して出力トランスデューサ１６に達し、ここで再度電気エネルギに変換される。以下で説明するが、反射グレーティング１８は、特定の周波数帯域に対して反射グレーティング１８の反射率関数(reflectivity function)を最適化する反射ドット(reflective dot)を用いている。

尚、フィルタ１０が適正に動作するために、第２反射トラックを含ませるとよいことを注記しておく。この第２反射トラックも、入力トランスデューサ、出力トランスデューサ、および反射グレーティングを含む。２つの反射トラックがある場合、２つの入力トランスデューサは同じ極性を有し、２つの出力トランスデューサは逆の極性を有する。したがって、対応する入力トランスデューサから出力トランスデューサによって直接受け取られ、反射グレーティングによって反射されない表面弾性波は、フィルタの出力トランスデューサにおいて互いに同相であり、このため相殺される。何故なら、２つの出力トランスデューサは逆の極性を有するからである。反射グレーティングによって反射された弾性波は、互いに１８０゜位相がずれて、対応する出力トランスデューサに到達し、２つの出力トランスデューサは逆の極性を有するので、出力において加算し合う。グレーティング反射間の１８０゜の位相差は、様々な技法で与えることができ、一方のトラックにおいて他方のトラックに対して遅延を与え、２つのトラックにおいて、反射弾性波が伝搬する距離にλ／２の差を付けるようにすることが含まれる。この遅延は、２つのトラックにおける反射グレーティング間にλ／４のオフセットを設けることによって得ることができる。

図２は、サンプリング周期がλ／４の反射グレーティング１８の有効反射率関数を示すグラフである。サンプリング周期は、各Ｎ波長毎にＭ本の格子線（Ｎλ／Ｍ）によって定義され、λは、フィルタの帯域幅の中心周波数における波長であり、ＭおよびＮは整数であって、Ｍ＞Ｎである。サンプリング周期の例には、λ／４、λ／３、２λ／５、３λ／７、３λ／８、４λ／７、および５λ／８が含まれるが、これらに限定される訳ではない。各サンプリング周期の特徴は、反射ドットのない反射グレーティング１８は、Ｍ＞Ｎの場合の有効（ネット）反射率(net reflectivity)を有さないということである。所望の有効反射率を得るには、所定の反射ドット密度および反射ドット配列に応じて、反射グレーティング１８内に反射ドットを配置する。一実施形態では、反射グレーティング１８は、約２７５のサンプリング周期を有する。応答の形状は、理想的な特性のフィルタが得られる、理想的な反射率関数となる。

図３は、図２に示す反射特性を有する反射グレーティング１８の周波数応答を示すグラフである。図３に示すグラフは、当技術分野では、「ブリックウォール(brick wall)」周波数応答として知られているものを示す。ブリックウォール周波数応答は、急峻な遷移縁および狭い帯域幅を有する理想的な応答である。図２の反射関数を有する反射グレーティングは、図３に示すような「ブリックウォール」周波数応答を生成する。

図４は、本発明による反射グレーティング１８をフィルタ１０から分離して示す平面図である。図５は、グレーティング１８の反射率関数を表すグラフであり、縦軸は反射ドット強度であり、横軸はグレーティング１８内における波伝搬方向の位置である。反射グレーティング１８のサンプリング周期３４は４つの格子線を含む。図５における垂直なグラフの線は、グレーティング１８の波伝搬方向に沿った具体的な位置と一致しており、各グラフ線は、サンプリング周期３４同士の間の分離を示す。反射グレーティング１８は、離間した格子線群３６を含み、その各々の幅３８はλ／８に等しい。ギャップ４０が、各格子線間に設けられ、隣接する格子線３８の幅に等しい。

反射ドット４２は、反射グレーティング１８全域にわたって、所定のドット配列および密度にしたがって、隣接する格子線３６間のギャップ４０内に分布されている。反射ドット配列および密度は、反射された弾性波の位相および振幅を設定する。反射グレーティング１８の一部に含まれる格子線群３６は均一に離間されており、反射グレーティング１８の別の部分に含まれる格子線群３６は均一に離間されていないというようにしてもよい。格子線３６同士の間隔は、ドット４２の数が多いサンプリング周期３４の方が、ドット４２の数が少ないサンプリング周期よりも伝搬速度が低くなるということから、反射ドット４２によって決定される。したがって、波が適正に伝搬するためには、個々の周期に対して波長を多少調節する必要がある。

以下で更に詳しく説明するが、グレーティング１８は、ドット配列（０、０、０、１）およびドット配列（０、０、１、０）を有する。数値０および１は、サンプリング周期３４、４４における反射ドット４２の密度を示す。ドット密度は、反射ドット４８がないことを示す０から、サンプリング周期４４内のギャップ５０全体を一面の反射ドットが埋め尽くすことを示す１までの範囲を取る。

各サンプリング周期３４におけるドット密度を変化させることによって、反射ドット強度、したがって周期３４の有効反射率が変化する。例えば、反射グレーティング１８のサンプリング周期３４を参照すると、４番目のギャップにおけるドット強度は、約０．５のドット密度に相当し、これは、５０％反射ドット４２で充填されたギャップ４０に等しい。サンプリング周期３４毎に、図５のグラフに示すように、対応する反射ドット強度がある。反射関数の位相を変化させるには、サンプリング周期３４のドット配列を調節して、基準線５４の右側に移動させる。ドット配列は、基準線５４の左側にあるサンプリング周期３４に対しては（０、０、０、１）であり、基準線５４および５２の間にあるサンプリング周期３４に対するドット配列は（０、０、１、０）である。線５４の左側の格子線３６の反射率は、線５４および５２の間にある格子線３６の反射率に対して１８０゜位相がずれている。本発明にしたがって、サンプリング周期３４または反射ドット配列のいずれか、あるいは両方を変化させることによって、同じ反射率関数を複製することができる。

図６は、図５に示した反射率関数を実現する別の方法を図示し、同じλ／４サンプリング周期を用いるが、反射ドット配列が異なる反射グレーティング５６を示す。図７は、反射グレーティング５６の反射関数をグラフで示し、縦軸は反射ドット強度、横軸は反射グレーティング５６上の位置である。反射グレーティング５６は、フィルタ１０における反射グレーティング１８の代わりに用いることができる。反射グレーティング５６が反射グレーティング１８と異なるのは、サンプリング周期５８の第１および第３ギャップ内に反射ドット６２を有することであり、ドット配列を調節することによって位相が変化する。１８０゜の位相ずれが、新たなドット配列が開始する基準線６０において生ずる。この配列では、第２および第４ギャップが反射ドット６２で占められている。ドット６２は、各ギャップ６４内ではランダムに分布しているが、常にドット密度にしたがって充填されている。

図８は、反射グレーティング６６を示し、異なるサンプリング周期および反射ドット配列を用いて、これまでの図に示した反射グレーティング１８、５６によって得られるのと同じ反射関数を実現する別の方法を図示する。図９は、反射グレーティング６６の反射率関数を示す。反射グレーティング６６では、サンプリング周期６８は３波長毎に５本の格子線を含む（３λ／５）。反射ドットは、ドット配列（．５、１、１、０、０）７０および（．５、０、０、１、１）７２にしたがって、ギャップ内にランダムに分散している。この具体的な１組のドット配列の要点は、第１ギャップ７４におけるドット密度と第２ギャップ７６および第３ギャップ７８におけるドット密度との間の関係にある。例えば、第１ギャップにおけるドット密度は、０．５であり、１である第２ギャップ７６におけるドット密度に関係がある。この意味は、第１ギャップ７４を約５０％反射ドットで充填する場合、第２ギャップ７６および第３ギャップ７８は約１００％反射ドットで充填しなければならないということである。

更に、第１ギャップ７４のドット密度が０．２５の場合、第２ギャップ７６および第３ギャップ７８のドット密度は０．５０でなければならない。各ギャップのドット密度は、互いに比例的に関係付けられている。第１ギャップ７４を約５０％だけドットで充填し、第２ギャップ７６および第３ギャップ７８を約１００％ドットで充填する目的は、第１ギャップ７４の屈折率が、第２ギャップ７６または第３ギャップ７８の屈折率の約半分となることを確保するためである。

図１０は、本発明による更に別の実施形態を示す反射グレーティング８０の平面図であり、格子線の上にランダムに分散した、分散音響反射ドットを用いている。図１１は、反射グレーティング８０の反射率関数を示す。反射グレーティング８０のサンプリング周期は３λ／５であり、３波長毎に５本の格子線がある。反射ドット８２は、ドット配列（１、０、０、．５、１）８６および（０、１、１、．５、０）８８にしたがって、格子線８４上に分散している。

これまでに説明した種々の実施形態のドット・パターンおよび反射グレーティングの格子線は、種々の方法で圧電基板１２に形成することができる。図１２（ａ）〜図１２（ｇ）は、この特徴を示すための本発明の反射グレーティングの多様な実施形態を示す。即ち、図１２（ａ）は、格子線９２および反射ドット９４を含む反射グレーティング９０を示し、格子線９２およびドット９４は、基板上にデポジション（堆積）され、パターニングされた金属である。この実施形態では、格子線９２は、対向する端部バス・バー９６、９８によって短絡されている。

図１２（ｂ）は、同じ材料で作られた、均一な格子線１０２および反射ドット１０４を含む反射グレーティング１００を示し、格子線１０２は開放回路となっている。即ち、端部バス・バーはない。材料は、基板上にデポジションされパターニングされた金属またはあらゆる物質、基板（下方）にエッチングした溝、基板内へのイオン打ち込み（インプランテーション）、または所望のパターンが得られる基板上の擾乱(disturbance)即ち変動であればあらゆる種類のものとすることができる。

図１２（ｃ）は、対向する端部バス・バー１１４、１１６によって短絡されている、均一な格子線１１２を含む反射グレーティング１１０を示す。格子線１１２および端部バー１１４、１１６は、基板上にデポジションされた金属である。一連の反射ドット１１８が、格子線１１２同士の間にあるギャップ１２０内に形成されており、反射ドット１１８は、格子線１１２および端部バス・バー１１４、１１６のためにデポジションした金属以外であれば、いずれの物質でも可能である。例えば、反射ドット１１８は、基板（下方）にエッチングした溝、基板内部へのイオン打ち込み、または規定したパターンを有する基板上の擾乱であればあらゆる種類のものとすることができる。

図１２（ｄ）は、格子線１２４と、当該格子線１２４同士の間にあるギャップ１２８内に位置する反射ドット１２６とを含む反射グレーティング１２２を示す。この実施形態は、図１２（ｃ）に示したのと同じ実施形態を示すが、ここでは、格子線１２４が開放回路となっている。即ち、端部バス・バー１１４、１１６が除去されている。

図１２（ｅ）は、仮想的な格子線１３２を含む反射グレーティング１３０を示す。反射ドット１３２が、仮想的な格子線１３２同士の間に位置し、この中の実施形態において特定した材料のいずれでも可能である。

図１２（ｆ）は、格子線１４２を含む反射グレーティング１４０を示し、反射ドット１４４が、図示のように、格子線１４２上に位置している。グレーティング１４０は、端部バス・バー１４６、１４８を含み、これらは、開放回路の実施形態では除去することができる。反射ドット１４４は、あらゆる数の適当な方法で実現することができる。例えば、格子線１４２が金属の場合、ドット１４４は、格子線１４２の上にデポジションされた同じ金属または異なる金属とすることができる。更に、ドット１４４を基板上に予めエッチングしておくことができ、次いで金属格子線をドット１４４の上にデポジションすることができる。また、反射ドット・エリアを除く完全な格子パターンを、基板表面下にエッチングすることができ、反射ドット１４２は、金属、または表面弾性波の擾乱を発生させる材料であればいずれの種類のものでも、デポジションしパターニングすることによって設けることができる。

図１２（ｇ）は、異なる周波数で動作する複数の隣接チャネルを支持するようにテーパー状とした反射グレーティング１５０を示す。反射グレーティング１５０は、格子線１５２と、格子線１５２同士の間にあるギャップ１５６内の反射ドット１５４とを含む。テーパー状グレーティング１５０は、Ｎ個のグレーティング・チャネルを上から下まで、チャネルの波長が小さい順または大きい順に接続することによって、構成することができる。図１２（ａ）から図１２（ｆ）に示した反射グレーティングの多様な実施形態は、テーパー状反射グレーティング１５０にも適用することができる。

尚、前述の説明から、サンプリング・レート、ならびに所望のフィルタ応答を達成するために使用可能な反射ドット密度およびドット配列には、多くの異なる組み合わせがあることは、明白である。所与のサンプリング・レートに対して、異なるサンプリング周期間の相対的な反射強度および反射率位相は、それぞれのドット配列において値を変更することによって調節することができる。これらの反射器の反射率関数は、反射器の臨界寸法には依存せず、したがって、動作周波数やグレーティング反射率も、従来の反射フィルタの場合のように、制限されることはない。

本発明に関する説明は、単なる一例に過ぎず、したがって、本発明の主旨から逸脱しない変形は、本発明の範囲内に該当するものである。このような変形は、本発明の精神および範囲から逸脱するものではない。

図１は、本発明の一実施形態によるＳＡＷ反射器を含む反射ＳＡＷフィルタの平面図である。 図２は、正規化したλ／４サンプリング周期を有する、本発明による反射グレーティングの反射率関数を示すグラフである。 図３は、正規化したλ／４サンプリング周期を有する、本発明による反射グレーティングの周波数応答を示すグラフである。 図４は、λ／４サンプリング周期、ならびに（０、０、０、１）および（０、０、１、０）の反射ドット配列を有する加重反射グレーティングの平面図である。 図５は、図４に示す反射グレーティングの反射ドット強度を示すグラフである。 図６は、λ／４サンプリング周期、ならびに（１、０、１、０）および（０、１、０、１）の反射ドット配列を有する加重反射グレーティングの平面図である。 図７は、図６に示す反射グレーティングの反射ドット強度を示すグラフである。 図８は、３λ／５サンプリング周期、ならびに（．５、１、１、０、１）および（．５、０、０、１、１）の反射ドット配列を有する加重反射グレーティングの平面図である。 図９は、図８に示す反射グレーティングの反射ドット強度を示すグラフである。 図１０は、反射音響ドットが反射グレーティングの格子線上に配置された、反射グレーティングの平面図である。 図１１は、図１０に示す反射グレーティングの反射ドット強度を示すグラフである。 図１２（ａ）から図１２（ｇ）は、本発明による、異なる格子線ならびに反射ドット構成および材料を有する、多様な反射グレーティングの平面図である。

Claims (9)

1. 表面弾性波を反射する反射器であって、
   圧電基板と、
   前記基板上に配置されたグレーティング構造であって、離間した格子線を含み、該格子線がその間にギャップを規定し、該ギャップが均一に離間されている、グレーティング構造と、
   前記ギャップ内および／または前記格子線上に分布された複数の音響反射ドットであって、該反射ドットの所定の密度および配列が、前記グレーティング構造の有効反射率を決定し、反射した表面弾性波の振幅および位相を制御し、前記ドットの分布は所定のサンプリング周期を有し、該サンプリング周期が、表面弾性波の各Ｎ波長毎にＭ本の格子線（Ｎλ／Ｍ）によって規定され、λは対象の周波数帯域の中心周波数の波長であり、ＭおよびＮは整数であって、Ｍ＞Ｎであり、各サンプリング周期において前記反射ドットの配列が選択的に変更されている、音響反射ドットと、
   を備えた反射器。
2. 請求項１記載の反射器において、前記ドット分布の密度が０から１の範囲を取り、０はドットがないことを示し、１は全てドットであることを示す、反射器。
3. 請求項１記載の反射器において、前記ドットの密度および配列は、前記反射弾性波の位相を任意の度数だけ変化させる反射器。
4. 請求項１記載の反射器において、前記格子線の端部が開放回路となっている反射器。
5. 請求項１記載の反射器であって、更に、前記格子線の対向する端部に電気的に結合され、前記格子線を短絡させるようにした第１および第２のバス・バーを備えている反射器。
6. 請求項１記載の反射器において、前記格子線は、基板上においてパターニングした金属、基板下方にエッチングした溝、基板内へのイオン・インプランテーション、基板上にデポジションしパターニングした物質、仮想格子線、および弾性波に影響を及ぼす基板上の擾乱の少なくとも１つによって形成される、反射器。
7. 請求項１記載の反射器において、前記反射ドットは、基板上においてパターニングした金属、基板下方にエッチングした溝、基板内へのイオン・インプランテーション、基板上にデポジションしパターニングした物質、および弾性波に影響を及ぼす基板上の擾乱の少なくとも１つによって形成される、反射器。
8. 請求項１記載の反射器において、前記格子線および前記反射ドットは材料が異なる反射器。
9. 請求項１記載の反射器において、前記グレーティング構造は、異なる波長を有する複数の周波数チャネルを支持するテーパー状格子である反射器。

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