JP6194071B2 - 表面弾性波フィルタの入力インピーダンスを最適化する方法 - Google Patents

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本開示は、表面弾性波（ＳＡＷ）共振器を使用する無線周波数フィルタに関し、詳細には、通信機器で使用するための送信フィルタ及びデュプレクサに関する。

関連技術の説明

図１に示すように、ＳＡＷ共振器１００は、基板１０５の表面上に形成された薄膜導体パターンによって形成することができ、基板１０５は、石英、リチウムニオベート、リチウムタンタレート又はランタンガリウムシリケート等の圧電材料から作製される。基板１０５は、圧電材料の単結晶スラブであっても、シリコン、サファイア又は石英等別の材料に接合した、圧電材料の薄い単結晶ウエハを含む複合基板であってもよい。複合基板を使用すると、単結晶圧電材料単独の熱膨張係数とは異なる熱膨張係数をもたらすことができる。第１のインターデジタル変換器（ＩＤＴ）１１０は、複数の平行な導体を含むことができる。入力端子ＩＮを介して第１のＩＤＴ１１０に加えられた無線周波数又はマイクロ波信号は、基板１０５の表面上に弾性波を生成することができる。図１に示すように、表面弾性波は、左右方向に伝播することになる。第２のＩＤＴ１２０は、出力端子ＯＵＴで、弾性波を無線周波数又はマイクロ波信号に再度変換することができる。第２のＩＤＴ１２０の導体は、図示のように第１のＩＤＴ１１０の導体と交互配置することができる。他のＳＡＷ共振器構成（図示せず）では、第２のＩＤＴを形成する導体は、第１のＩＤＴを形成する導体と隣接して又はこれらから分離して、基板１０５表面上に配設することができる。

第１のＩＤＴ１１０と第２のＩＤＴ１２０との間の電気的結合は、周波数に大きく依存する。第１のＩＤＴ１１０と第２のＩＤＴ１２０との間の電気的結合は、典型的には、共振（共振では、第１のＩＤＴと第２のＩＤＴとの間のインピーダンスは最小である）、及び反共振（反共振では、第１のＩＤＴと第２のＩＤＴとの間のインピーダンスは最大である）の両方を呈する。共振及び反共振の周波数は、主に、櫛形導体のピッチ及び向き、基板材料の選択、並びに基板材料の結晶配向によって決定される。グレーティング反射器１３０、１３２は、第１のＩＤＴ１１０及び第２のＩＤＴ１２０によって占められる基板領域に弾性波エネルギーの大部分を閉じ込めるため、基板上に配設することができる。

ＳＡＷ共振器は、帯域阻止フィルタ、帯域通過フィルタを含む様々な無線周波数フィルタ、及びデュプレクサで使用される。デュプレクサは、無線周波数フィルタ・デバイスであり、共通のアンテナを使用することによって、第１の周波数帯域での送信、及び（第１の周波数帯域とは異なる）第２の周波数帯域での受信を同時に可能にする。デュプレクサは、一般に、携帯電話を含む無線通信機器で見られる。

図２は、通信デバイス２００の部分のブロック図である。通信デバイス２００は、送信器２１０、デュプレクサ２２０及びアンテナ２３０及び受信器２４０を含む。デュプレクサ２２０は、送信フィルタ２２２及び受信フィルタ２２４を含むことができる。送信フィルタ２２２は、送信器２１０とアンテナ２３０との間に結合することができる。受信フィルタ２２４は、アンテナ２３０と受信器２４０との間に結合することができる。デュプレクサ２２０の重要な機能は、受信器を送信器から隔離して、送信器からのエネルギーによる負荷が受信器にかかりすぎないことを保証することである。この目的で、送信フィルタ２２２は、送信周波数帯域内の周波数を通過させ、送信周波数帯域とは異なる受信周波数帯域内の周波数を遮断又は阻止するように設計することができる。逆に、受信フィルタは、受信周波数帯域内の周波数を通過させ、送信周波数帯域内の周波数を遮断するように設計することができる。

送信器２１０は、送信すべき無線周波信号を生成する電力増幅器２１２、並びに電力増幅器２１２及び送信フィルタ２２２からの無線周波数信号をデュプレクサ２２０内で結合するインピーダンス整合ネットワーク２１４を含むことができる。インピーダンス整合ネットワーク２１４は、電力増幅器２１２の出力インピーダンスを送信フィルタ２２２の入力インピーダンスに整合するように設計することができる。送信器２１０の一部分として示すが、インピーダンス整合ネットワーク２１４は、その全部又は一部分を送信フィルタ２２２内に組み込むことができる。電力増幅器２１２の出力インピーダンスは、典型的には、送信周波数帯域上で一定又はほぼ一定である。電力増幅器２１２からアンテナ２３０への効率的な電力結合を保証するために、送信フィルタ２２２の入力インピーダンスも、可能な限り送信周波数帯域上で一定であることが好ましい場合がある。

帯域通過フィルタを設計する方法、及びフィルタを開示する。第１の設計基準を満たすベースライン・フィルタ設計を確立することができ、ベースライン・フィルタ設計は、複数の直列表面弾性波共振器及び複数の分岐表面弾性波共振器を含み、各表面弾性波共振器は、それぞれの共振周波数を有する。ベースライン・フィルタ設計の通過帯域上の入力インピーダンスに基づき、性能測定基準を決定することができる。１つ以上の代替フィルタ設計を確立し、それぞれの性能測定基準を決定することができ、各代替フィルタ設計は、２つ以上の複数の直列表面弾性波共振器及び／又は２つ以上の複数の分岐表面弾性波共振器の共振周波数を並べ替えることによって確立される。最終フィルタ設計は、それぞれの性能測定基準に基づき、ベースライン設計及び１つ以上の代替フィルタ設計から選択することができる。

ＳＡＷ共振器の概略平面図である。 通信デバイスのブロック図である。 例示的表面弾性波フィルタ送信フィルタのブロック図である。 図３ＡのフィルタのＳパラメータのグラフである。 図３Ａのフィルタの入力インピーダンスのプロットを有するスミス・チャートである。 別の例示的表面弾性波フィルタ送信フィルタのブロック図である。 図４ＡのフィルタのＳパラメータのグラフである。 図４Ａのフィルタの入力インピーダンスのプロットを有するスミス・チャートである。 図３Ａ、図４Ａ及び図６Ａの例示的表面弾性波フィルタの共振器周波数を比較した表である。 別の例示的表面弾性波フィルタ送信フィルタのブロック図である。 図５ＡのフィルタのＳパラメータのグラフである。 図５Ａのフィルタの入力インピーダンスのプロットを有するスミス・チャートである。 表面弾性波フィルタの入力インピーダンスを最適化する方法のフローチャートである。 図６Ａのフィルタの入力インピーダンスのグラフである。

本明細書全体にわたり、図面に現れる要素には、３桁の参照識別子が割り当てられており、最上位桁は、要素が最初に示される図面の番号であり、最下位の２桁は、要素に特有である。図面との関連で説明しない要素は、同じ参照識別子を有する、既に記載した要素と同じ特徴及び機能を有すると仮定することができる。

装置の説明

フィルタ回路は、通常、２個以上のＳＡＷ共振器を組み込む。例えば、図３Ａは、Ｘ１からＸ１０と表示された１０個のＳＡＷ共振器を組み込む例示的帯域通過フィルタ回路３００の概略図を示す。フィルタ回路３００は、入力（ポート１）と出力（ポート２）との間に直列に接続した６個の直列共振器（Ｘ１、Ｘ３、Ｘ５、Ｘ６、Ｘ８及びＸ１０）を含む。フィルタ回路３００は、隣接し合う直列共振器の接合部と接地との間に接続された４つの分岐共振器（Ｘ２、Ｘ４、Ｘ７及びＸ９）を含む。１０個のＳＡＷ共振器、即ち６個の直列共振器及び４個の分岐共振器の使用は、例示的なものである。フィルタ回路は、１０個より多くても少なくてもよいＳＡＷ共振器、並びに異なる構成の直列共振器及び分岐共振器を含むことができる。フィルタ回路３００は、例えば、デュプレクサ２２０等のデュプレクサ内に組み込む送信フィルタとすることができる。

１０個の共振器Ｘ１〜Ｘ１０のそれぞれは、図１に示すインターデジタル変換器及びグレーティング反射器から構成することができる。１０個の共振器Ｘ１〜Ｘ１０のそれぞれは、対応する共振周波数ｆ１〜ｆ１０を有することができる。共振周波数ｆ１〜ｆ１０は全て、異なっていてもよい。共振器Ｘ１〜Ｘ１０のいくつかの共振周波数は、同じであってもよい。典型的には、分岐共振器の共振周波数ｆ２、ｆ４、ｆ７、ｆ９は、直列共振器の共振周波数ｆ１、ｆ３、ｆ５、ｆ６、ｆ８、ｆ１０からずらすことができる。

図３Ｂは、フィルタ３００の選択されたＳパラメータ、即ち散乱パラメータを示すグラフである。Ｓパラメータは、線形電気ネットワークの性能を表すために使用される一般的な手法である。実線３１０は、電気ネットワークのポート１からポート２への伝達関数であるＳ（２，１）のプロットである。Ｓ（２，１）は、本質的に、数字符号の変更を伴うフィルタの「挿入損失」である（例えばＳ（２，１）＝−３ｄＢは、３ｄＢの挿入損失に等しい）。この場合、実線３１０は、フィルタ３００の入力から出力への伝達関数を示す。帯域通過フィルタは、所定の「通過帯域」内周波数の損失がほとんどない状態で、フィルタ３００のポート１の信号入力をポート２に伝達する必要があり得る。図３Ｂに示すように、フィルタ３００の通過帯域は、約１．７ＧＨｚから１．７９ＧＨｚまでである。通過帯域からずれた周波数は、実質的に減衰される。帯域通過フィルタに対する規格には、通過帯域上のＳ（２，１）の最小値（即ち最大挿入損失）、及び１つ以上の停止帯域のそれぞれに対するＳ（２，１）の最大値（即ち最小挿入損失）を含むことができる。

破線３２０は、電気ネットワークのポート１からポート１への伝達関数であるＳ（１，１）のプロットである。この場合、破線３２０は、全ての他のポートが理想的な負荷インピーダンスで終結する状態である、フィルタ３００の入力から入力への反射係数を示し、この負荷インピーダンスは、しばしばギリシャ文字のガンマ（Γ）によって示される。フィルタ３００のポート１での信号入力は、通過帯域外の周波数のために実質的に反射されポート１に戻される。通過帯域内の周波数に関して、入力信号の反射は、−１０ｄＢから−４０ｄＢの間で変動する。

図３Ｃは、インピーダンス・スミス・チャートを示す。スミス・チャートは、回路の複素反射係数の極座標を使用したプロットである。図３Ｃは、フィルタ３００のポート１の複素反射係数のプロットである。中心点は、ゼロの反射係数を表し、チャートの周辺部は、１の反射係数を表す。

回路の反射係数は、回路の入力インピーダンス及び回路駆動ソースのインピーダンスによって決定される。したがって、スミス・チャートは、例えば周波数の関数として、回路の入力インピーダンスを視覚化するグラフ補助手段として使用することができる。入力インピーダンスを視覚化するために使用する場合、実インピーダンス基準及び複素インピーダンス基準を従来のスミス・チャートに加え、図３Ｃに示す「インピーダンス・スミス・チャート」と一般に呼ばれるものを実現する。スミス・チャートの中心点（ゼロに等しい反射係数）は、ソース・インピーダンスに等しい入力インピーダンスを表す。ソース・インピーダンスは、通常、必ずしもそうではないが５０オームである。中心点を通る水平線は、実インピーダンス値（即ち抵抗）の軌跡である。チャートの外周は、１００％の反射をもたらすインピーダンス値の軌跡である。スミス・チャートの中心点を通る水平線の左端は、短絡（０インピーダンス）を表し、この線の右端は、開放回路（無限インピーダンス）を表す。あらゆる複素入力インピーダンス値は、スミス・チャート上の固有の点に対応することになる。

１．５ＧＨｚから２．０ＧＨｚの周波数範囲にわたるフィルタ３００の入力インピーダンスを図３Ｃのインピーダンス・スミス・チャート上に示す。実線３３０は、フィルタ３００の通過帯域上の入力インピーダンスを示し、破線３４０は、通過帯域外の周波数に対する入力インピーダンスを示す。理想的には、フィルタ３００の入力インピーダンスは、通過帯域にわたって一定となり、この場合、通過帯域上の入力インピーダンスのグラフは、インピーダンス・スミス・チャート上の単一の点であると思われる。しかし、この理想は、実際の帯域通過フィルタでは達成することができない。現実の設計目標は、フィルタ３００の入力インピーダンスが通過帯域上で所定量以下しか変動しないことである。例えば、設計目標又は要件は、２つの点が実線曲線３３０上で大部分が幅広く分離する点であり、所定距離以下まで分離することであり得る。同等に、設計目標又は要件は、実線曲線３３０が所定の直径を有する円内に完全に含まれることであり得る。

図４Ａは、帯域通過フィルタ回路３００と同様の、別の例示的帯域通過フィルタ回路４００の概略図を示し、例示的帯域通過フィルタ回路４００は、入力（ポート１）と出力（ポート２）との間に直列に接続した６個の直列ＳＡＷ共振器（Ｘ１、Ｘ３、Ｘ５、Ｘ６、Ｘ８及びＸ１０）、並びに隣接し合う直列共振器の接合部と接地との間に接続された４個の分岐共振器（Ｘ２、Ｘ４、Ｘ７及びＸ９）を含む。フィルタ回路４００は、６個の直列共振器の間の共振周波数を交換し、４個の分岐共振器の間の共振周波数を交換することによって、フィルタ回路３００から得ることができる。

図５は、フィルタ３００、フィルタ４００、及び後で説明するフィルタ６００の共振器の共振周波数を列挙した表５００である。共振器周波数の並べ替えが表５００から理解することができる。例えば、フィルタ４００では、共振器Ｘ１は、フィルタ３００の共振器Ｘ６の共振周波数であった共振周波数ｆ６を有する。フィルタ４００の１０個のＳＡＷ共振器のうち、共振器Ｘ８のみがフィルタ３００の対応共振器と同じ共振周波数を有する。分岐共振器及び直列共振器の共振周波数は、ずれるため、直列共振器と分岐共振器との間の共振周波数は、交換しないものとする。共振周波数以外、フィルタ４００の１０個のＳＡＷ共振器のレイアウト（即ち基板上の相対位置）、サイズ及び他の属性は、フィルタ３００のそれぞれの対応共振器と同じとすることができる。

図面の４枚目に戻って参照すると、図４Ｂは、フィルタ４００の選択されたＳパラメータを示すグラフである。実線４１０は、フィルタ４００の入力から出力への伝達関数であるＳ（２，１）のプロットである。フィルタ４００の通過帯域は、約１．７ＧＨｚから１．７９ＧＨｚであり、フィルタ３００の通過帯域と同じである。フィルタ４００のポート１での信号入力は、通過帯域内の周波数のために比較的わずかな損失でポート２に伝達される。しかし、通過帯域内のフィルタ４００の損失は、５ｄＢもの高さであることもあり、これは、フィルタ３００の通過帯域上の損失よりも著しく高い。通過帯域からずれた周波数は、実質的に減衰される。

破線４２０は、フィルタ４００の入力から入力への反射係数であるＳ（１，１）のプロットである。フィルタ４００のポート１での信号入力は、通過帯域外の周波数のために実質的に反射されポート１に戻される。通過帯域内の周波数に関して、入力信号の反射は、−５ｄＢから−２５ｄＢまでの間で変動する。したがって、フィルタ４００の通過帯域内の反射係数は、フィルタ３００の反射係数よりも著しく高い。

図４Ｃは、インピーダンス・スミス・チャート上に示した１．５ＧＨｚから２．０ＧＨｚの周波数範囲にわたるフィルタ４００の入力インピーダンスのグラフである。実線４３０は、フィルタ４００の通過帯域上の入力インピーダンスを示し、破線４４０は、通過帯域外の周波数に対する入力インピーダンスを示す。通過帯域上のフィルタ４００の入力インピーダンス（実線４３０）は、大幅に変動する。フィルタ４００の入力インピーダンスと、フィルタのポート１で導入された信号のソース・インピーダンスとの間の不整合が高反射係数の根本的な原因であり、フィルタ４００の伝達を劣化させる。

図６Ａは、帯域通過フィルタ回路３００及び４００と同様の、また別の例示的帯域通過フィルタ回路６００の概略図を示し、例示的帯域通過フィルタ回路６００は、入力（ポート１）と出力（ポート２）との間に直列に接続した６個の直列ＳＡＷ共振器（Ｘ１、Ｘ３、Ｘ５、Ｘ６、Ｘ８及びＸ１０）、並びに隣接し合う直列共振器の接合部と接地との間に接続された４個の分岐共振器（Ｘ２、Ｘ４、Ｘ７及びＸ９）を含む。フィルタ回路６００も、様々な直列共振器及び様々な分岐共振器の共振周波数を交換することによって、フィルタ回路３００から得られた。共振周波数が交換される様式は、図５の表５００から理解することができる。例えば、フィルタ６００では、共振器Ｘ１は、フィルタ３００の共振器Ｘ５の共振周波数であった共振周波数ｆ５を有する。フィルタ３００の共振器Ｘ１の共振周波数ｆ１は、フィルタ６００の共振器Ｘ１０の共振周波数であり、以下同様である。フィルタ６００の１０個のＳＡＷ共振器のうち、共振器Ｘ２のみがフィルタ３００の対応共振器と同じ共振周波数を有する。共振周波数以外、フィルタ６００の１０個のＳＡＷ共振器のレイアウト（即ち基板上の相対位置）、サイズ及び他の属性は、フィルタ３００のそれぞれの対応共振器と同じとすることができる。

図６Ｂは、フィルタ６００の選択されたＳパラメータ、即ち散乱パラメータを示すグラフである。実線６１０は、フィルタ６００の入力から出力への伝達関数であるＳ（２，１）のプロットである。フィルタ６００の通過帯域は、約１．７ＧＨｚから１．７９ＧＨｚであり、フィルタ３００の通過帯域と同じである。フィルタ６００のポート１での信号入力は、通過帯域内の周波数のためにわずかな損失でポート２に伝達される。通過帯域からずれた周波数は、実質的に減衰される。

破線６２０は、フィルタ６００の入力から入力への反射係数であるＳ（１，１）のプロットである。フィルタ６００のポート１での信号入力は、通過帯域外の周波数のために実質的に反射されポート１に戻される。通過帯域内の周波数に関して、入力信号の反射は、−１６ｄＢから−４２ｄＢの間で変動する。したがって、フィルタ６００の通過帯域内の反射係数は、フィルタ３００の反射係数よりも著しく低い。

図６Ｃは、インピーダンス・スミス・チャート上に示した１．５ＧＨｚから２．０ＧＨｚの周波数範囲にわたるフィルタ４００の入力インピーダンスのグラフである。実線６３０は、フィルタ６００の通過帯域上の入力インピーダンスを示し、破線６４０は、通過帯域外の周波数に対する入力インピーダンスを示す。フィルタ６００の通過帯域上の入力インピーダンス（実線６３０）は、フィルタ３００の通過帯域上の入力インピーダンスよりも小さく変動する。フィルタ４００の通過帯域上の入力インピーダンスがわずかな変動であることで、フィルタのポート１で導入された信号のソース・インピーダンスとのより良好なインピーダンス整合が可能になり、フィルタ４００に対しより低い反射係数がもたらされる。

工程の説明

図３Ｃ、図４Ｃ及び図６Ｃの比較は、ＳＡＷ帯域通過フィルタ内の共振器の共振周波数の並べ方が、通過帯域上のフィルタの入力インピーダンス、伝達及び反射に対しかなりの影響を与える一方で、中心周波数及び通過帯域の帯域幅、又は通過帯域外の周波数に対するフィルタ性能にはわずかな影響しか与えないことを示す。したがって、共振器の共振周波数の順序を変更すると、他のフィルタ特性とは比較的無関係に、ＳＡＷ帯域通過フィルタの入力インピーダンスを最適化する手段がもたらされる。

図７は、ＳＡＷ帯域通過フィルタを設計する工程７００のフローチャートである。工程７００は、７０５で、フィルタの規格セットと共に開始される。規格セットには、例えば、通過帯域に対するより低い及びより高い周波数の規格、並びに任意で１つ以上の停止帯域を含むことができる。規格セットには、通過帯域上のＳ（２，１）の最小値（即ち最大挿入損失）、及び停止帯域を規定する場合には、各停止帯域上のＳ（２，１）の最大値（即ち最小挿入損失）を含むことができる。規格セットには、入力インピーダンス範囲を含むことができる。入力インピーダンス範囲は、例えば、ソースによって所定のソース・インピーダンスで駆動される際のフィルタの入力における最大反射係数又は最大電圧定在波比（ＶＳＷＲ）として規定することができる。入力インピーダンス範囲は、いくつかの他の様式で規定することができる。フィルタの規格セットには、ダイの最大サイズ、動作温度範囲、入力電力レベル、及び他の要件等の他の要件を含むことができる。

７１０で、フィルタ・アーキテクチャを選択することができる。具体的には、基板構成（単結晶又は複合結晶）、特定の圧電材料及び結晶配向（即ち内部結晶軸に対する基板表面の角度）、並びにＳＡＷ共振器の数、種類及び配置を選択することができる。例えば、図３Ａ、図４Ａ及び図６Ａの帯域通過フィルタは、６個の直列共振器及び４個の分岐共振器を有する。他のフィルタ・アーキテクチャは、より多い又はより少ない直列共振器及び／又は分岐ＳＡＷ共振器、別様に接続した（例えば分岐共振器を入力及び／若しくは出力ポートから接地に接続させる）同じ数のＳＡＷ共振器を含むことができる。ＳＡＷ共振器の数及び配置に加えて、基板の種類を７１０で選択することができる（基板の種類は、部分的に、各ＳＡＷ共振器の共振と反共振との間の周波数間隔を決定する）。７１０で選択できるフィルタの他の特性には、ＳＡＷ共振器の櫛形変換器を形成するために使用する金属の種類及び厚さ、櫛形変換器上の誘電体コーティング材料の有無、並びに他の製造関連特性を含むことができる。

７２０で、７１０で選択したアーキテクチャを使用し、ベースライン・フィルタ設計を確立することができる。ベースライン設計は、例えば、設計技師によって、回路設計ソフトウェア・ツール及び／又は電磁（ＥＭ）分析ツールを使用して実施することができる。回路設計ツールを使用する場合、フィルタは、電子回路として分析でき、ＳＡＷ共振器は、集中化したコンデンサ素子と誘導器素子と抵抗器素子との組合せによって表される。ＥＭ分析ツールを使用する場合、フィルタは、基板上のＳＡＷ共振器のＩＤＴのモデルによって表すことができる。回路設計ツール及びＥＭ分析ツールのいずれか又は両方は、所定の第１の設計基準を可能な程度に満たすように、フィルタ設計の自動最適化が可能であってもよい。第１の設計基準は、７０５からのフィルタ規格セットのサブセットであってもよい。例えば、第１の設計基準には、通過帯域に対するより低い周波数及びより高い周波数の規格、並びに任意で１つ以上の停止帯域を含むことができる。第１の設計基準には、通過帯域上のＳ（２，１）の最小値、及び停止帯域を規定した場合、各停止帯域上のＳ（２，１）の最大値を含むこともできる。第１の設計基準には、他のフィルタ規格を含むことができる。

７１０で選択したアーキテクチャは、第１の設計基準を必ずしも満たすことができなくてもよいことを留意されたい。例えば、帯域通過フィルタに対する第１の設計基準が狭い通過帯域及び高い停止帯域阻止を含む場合、基準は、わずか数個のＳＡＷ共振器を有するアーキテクチャでは満たすことができない。７３０で、７２０からのベースライン設計が第１の設計基準を満たすかどうか判定を行うことができる。利用可能なソフトウェア・ツールを使用して可能な程度に最適化したベースライン設計が第１の設計基準を満たさない場合（７３０で「いいえ」）、工程７００は、７１０に戻り、異なるフィルタ・アーキテクチャを選択することができる。

７１０から７３０までの動作は、第１の設計基準を満たすベースライン設計が確立されるまで、必要に応じて繰り返すことができる。各ＳＡＷ共振器は、有限の基板領域を占めるので、より少ない共振器を有するフィルタは、一般に、より小さい基板を使用することになり、より多くの共振器を用いるフィルタよりも少ない製造費用しかかからない。したがって、可能な動作順序は、７１０で、限界まで少ない共振器を有するフィルタ・アーキテクチャを最初に選択し、次に、７１０から７３０の動作を繰り返す毎に、より多くの共振器をアーキテクチャに追加することができる。

７２０で、ベースライン設計が第１の設計基準を満たすという判定を行った場合（７２０で「はい」）、通過帯域上の入力インピーダンス均一性の改善を目的として、フィルタ設計の更なる最適化を行うことができる。７３０で、ベースライン・フィルタ設計の分析によって性能測定基準を得ることができる。性能測定基準には、通過帯域上のベースライン・フィルタの入力インピーダンスに関連する１つ以上のパラメータを含むことができる。様々な性能測定基準を図８に関して後で説明する。７３５で、代替設計を探すべきか否かの判定を行うことができる。ベースライン・フィルタ設計のみを評価した場合、７３５の判定は、少なくとも１つの代替設計が確立され、評価されるように、常に「はい」となる。

７２５で、以前のフィルタ設計内の共振器の周波数を並べ替えることによって代替フィルタ設計が確立され、即ち、２つ以上の直列共振器の共振周波数を交換できる及び／又は２つ以上の分岐共振器の共振周波数を交換できる。直列共振器及び分岐共振器の共振周波数は、交換しないものとする。２つ以上の共振器の共振周波数の変更は、適切な共振器内のＩＤＴのピッチの変更により達成することができ、一方で他の特性（例えば基板上の共振器の相対位置、各共振器の物理的サイズ、共振器を相互接続する導体及び他の特性）は、変更しないでおく。

共振周波数の並べ替えによる代替フィルタ設計の実施は、７３０で分析し、それぞれの性能測定基準を開発することができる。次に、異なる順の共振器周波数を有する別の代替フィルタ設計を試みるか否かについて、７３５で再度判定を行うことができる。別の代替フィルタ設計を試みるという判定を行った場合、工程７００は７２５に戻ることができる。７２５から７３５の動作は、７３５で別の試行を必要としないという判定を行うまで繰り返すことができる。

可能な代替フィルタ設計の数は、７２５で選択できる共振器の共振周波数に対する可能な順の数と等しい。したがって、可能な代替フィルタ設計の数は、Ｎ！Ｍ！によって示されるが、ここでのＮは直列共振器の数であり、Ｍは分岐共振器の数である。図３Ａ、図４Ａ及び図５Ａの例では、可能な数は、６！４！＝（７２０）（２４）＝１７２８０である。様々な方策を使用して、７２５の動作を繰り返す毎の共振周波数の並べ替え方を決定することができる。例えば、共振器周波数に対し可能な順のそれぞれを順次選択し、分析するソフトウェア・プログラムを開発することができる。

（共振周波数の可能な順毎の分析と比較して）必要な計算量を低減するために、山登り（ｈｉｌｌ−ｃｌｉｍｂｉｎｇ）アルゴリズムの変形形態等の反復的方策を使用して、共振器の共振周波数を並べ替えることができる。例えば、７２５で、一対の直列共振器又は一対の分岐共振器の共振周波数を交換し、得られた代替フィルタを７３０で分析することができる。フィルタ性能測定基準に基づき、共振周波数を交換した新たな代替フィルタが従来のフィルタよりも改良されている場合、新たな代替フィルタが新たなベースライン設計となる。共振周波数を交換した新たな代替フィルタが従来のフィルタよりも改良されていない場合、変更を取り消す。いずれの場合も、新たな対の共振器を選択するステップ、選択した共振器の共振周波数を交換するステップ、結果を分析するステップ、及び変更を保持するか否かを判定するステップは、繰り返される。したがって、フィルタ性能は、数回の反復にわたって増分的に改良させることができる。いくつかの他の反復的方策を使用して、共振器の共振周波数を並べ替えることができる。

フィルタを反復的に最適化する間、いくつかの異なるフィルタ性能測定基準を使用して、新たなフィルタ設計が以前のフィルタ設計よりも改良されているかどうかを判定することができる。図８は、図６のフィルタ６００の入力インピーダンスのグラフ８００である。グラフ８００は、図６Ｃからのデータを複素インピーダンス平面に変換したものを示す。実線８３０は、通過帯域上の例示的帯域通過フィルタの入力インピーダンスのプロットである。通過帯域の縁部を表す実線８３０の端部は、小さな円８３２、８３４により示される。破線８４０、８４２は、通過帯域外のフィルタの入力インピーダンスのプロットである。

以前のフィルタ設計よりも新たなフィルタ設計が改良されているかどうかの判定に使用できる１つのフィルタ性能測定基準は、曲線８３０上の最も遠い点に対する公称インピーダンス値（この例では５０オームの実又は抵抗インピーダンス）からの距離８５０である。距離８５０は、ソースによって公称ソース・インピーダンスで駆動した場合の通過帯域内フィルタの最低のケースの反射係数を表す。距離８５０を適切なフィルタ性能測定基準とし、ソースのソース・インピーダンスが５０オーム等の特定値で固定された場合に、新たなフィルタ設計が以前のフィルタ設計よりも改良されているかどうかを判定することができる。

いくつかの適用例では、フィルタ駆動ソースのソース・インピーダンスは、特定値で固定せず、フィルタと整合するように調整することができる。この場合、新たなフィルタ設計が以前のフィルタ設計よりも改良されているかどうかの決定のために使用できるフィルタ性能測定基準は、曲線８３０を取り囲む又は囲む最少円８６０の直径である。円８６０の直径は、通過帯域上のフィルタ入力インピーダンスの均一性の測定値である。円８６０は、通常、最も遠く分離する、曲線８３０上の２つの点によって決定される。フィルタ駆動ソースのソース・インピーダンスに対する実践的な制限があり得るため、円８６０の直径と距離８５０との組合せをフィルタ性能測定基準として使用し、新たなフィルタ設計が以前のフィルタ設計よりも改良されているかどうかを決定することができる。例えば、フィルタ性能測定基準は、距離８５０が所定値を超えることがない制限内で、円８６０の直径を低減することであり得る。円８６０の中心（十字８６２によって示される）も有用な基準である。というのは、中心は、ソース・インピーダンスの複素共役であり、曲線８３０上の点の全てに対し良好な平均整合をもたらすことになるためである。

より低い計算費用でこの分析に近似できる代替良度指数を使用することもできる。円８６０の中心は、曲線８３０上の平均値の計算によって近似的に見つけることができ、円８６０の半径は、この平均値から複素平面上の最大距離にある曲線８３０上の点を見つけることによって、近似的に見つけることができる。

ＳＡＷ帯域通過フィルタの多くの適用例では、拡張された温度範囲にわたって動作させなければならない。例えば、家庭用通信デバイスで使用するＳＡＷ帯域通過フィルタは、２５℃の公称温度に対して設計することができるが、０℃から５５℃の温度範囲にわたって動作させる必要がある。産業又は軍事用通信デバイスで使用するＳＡＷ帯域通過フィルタは、より大きな温度範囲に対して設計することができる。温度の変動は、ＳＡＷ共振器の共振周波数を比例的に変化させることになる。このことが生じると、フィルタの入力インピーダンスのプロットの全体形状は変化し得ないが、通過帯域を表すプロットの一部分が変化することになる。図８の例では、通過帯域（実線８３０）は、連続する曲線８３２−８３０−８３４に沿って変化することになる。通過帯域の一方又は他方の縁部における入力インピーダンスが極限温度で実質的に変化しないことを保証するために、通過帯域の両縁部における入力インピーダンスが、公称温度では公称ソース・インピーダンスに近接するようにフィルタを設計することが好ましい場合がある。この場合、新たなフィルタ設計が以前のフィルタ設計よりも改良されているかどうか決定するために使用できるフィルタ性能測定基準は、実線曲線８３０の端部８３２と８３４との間の距離である。

図７を再度参照すると、最終的に、更なる代替フィルタ設計を試行する必要がないという判定を７３５で行うことができる（７３５で「いいえ」）。この判定は、全ての可能な共振周波数の並べ方の分析後に行ってもよい。更なる代替フィルタ設計を試行する必要がないという判定は、所定数の無作為に選択した共振周波数の順番を分析した後、又は７２５から７３５の動作による所定数の反復サイクルの後に行ってもよい。７３０での分析結果が、最も直近のフィルタ設計が「十分に良好」であること、即ち、最も直近のフィルタ設計が７１５からのベースライン設計により満たされた設計基準に加えて、いくつかの更なる設計基準を満たすこと、を示す場合、更なる代替フィルタ設計を試行する必要がないという判定を行うことができる。更なる設計基準は、新たなフィルタ設計が以前のフィルタ設計よりも改良されているかどうかを判定するために７３０で使用したフィルタ性能測定基準と関連するか又はこれと同じとすることができる。例えば、更なる設計基準は、第１の所定距離よりも短い若しくはそれと等しい距離８５０、所定の直径よりも小さい若しくはそれと等しい円８６０の直径、及び／又は第２の所定距離よりも短い若しくはそれと等しい実線曲線８３０の端部８３２と８３４との間とすることができるか、又はこれらを含むことができる。

７３５で更なる代替フィルタ設計を試行する必要がないという判定を行った後、７４０で最良の設計を選択することができる。最後の設計が「十分に良好」であるとき、更なる代替フィルタ設計を試行する必要がないという判定を行った場合、又は所定数の反復後に更なる代替フィルタ設計を試行する必要がないという決定を行った場合、最後の設計が固有の最良設計となる。可能な共振周波数の順番の全てを分析した後に、更なる代替フィルタ設計を試行する必要がないという決定を行った場合、距離８５０、円８６０の直径及び／又は実線曲線８３０の端部８３２と８３４との間等の測定値を使用して最良設計を選択することができる。

７４０で選択した設計は、例えば設計技師によって、回路設計ソフトウェア・ツール及び／又は電磁（ＥＭ）分析ツールを使用して７４５で更に最適化することができる。次に、７４５からの最適化したフィルタが、７０５からの規格セット全体を満たすか否かの判定を７５０で行うことができる。最適化したフィルタが規格を満たす場合（７５０で「はい」）、工程７００は７９５で終了することができる。最適化したフィルタが規格セットを満たさない場合（７５０で「いいえ」）、工程７００の全て又は部分を繰り返すことができる。例えば、工程７００は、７１０に戻り、異なるフィルタ・アーキテクチャを選択することができる。

結びのコメント

本明細書全体にわたって示す実施形態及び例は、開示又は請求する装置及び手順に対する限定ではなく典型として考慮すべきである。本明細書に提示した多くの例は、方法動作又はシステム要素の特定の組合せを含むが、これらの動作及び要素は、他の様式で組み合わせて同じ目的を達成することができることを理解されたい。フローチャートに関して、更なるステップ及びより少ないステップを取ることができ、図示するステップを組み合わせる又は更に改良して本明細書に記載の方法を達成することができる。一実施形態に関連してのみ説明した動作、要素及び特徴は、他の実施形態における同様の役割から除外することを目的としない。

本明細書で使用する「複数」とは、２つ以上を意味する。本明細書で使用する、項目の「セット」は、そのような項目の１つ以上を含むことができる。本明細書で使用する用語「備える」、「含む」、「保持する」、「有する」、「収容する」、「伴う」等は、明細書内の記載であれ、特許請求の範囲内の記載であれ無制限であり、即ち、包括的であるがそれらに限定されないことを意味する。「からなる」及び「から本質的になる」というそれぞれの移行句のみが、特許請求の範囲に対する排他的又は半排他的移行句である。特許請求の範囲の要素を修飾するための、特許請求の範囲における「第１」「第２」「第３」等の順序を示す用語の使用は、それ自体、方法動作を実施する別の順序若しくは時間順序に対し、ある特許請求の範囲の要素に対する優先、優先順位又は順番を何ら暗示するものではなく、特定の名称を有する１つの特許請求の範囲の要素を、同じ名称を有する別の要素から区別するための表示として単に使用しており（順序を示す用語として使用するものではあるが）、特許請求の範囲の要素を区別するものである。本明細書で使用する「及び／又は」は、列挙する項目が代替形態であることを意味するが、こうした代替形態は、列挙する項目のあらゆる組合せも含む。

Claims (12)

1. 帯域通過フィルタを設計する方法であって、
   第１の設計基準を満たすベースライン・フィルタ設計を確立するステップであって、前記ベースライン・フィルタ設計は、複数の直列表面弾性波共振器及び複数の分岐表面弾性波共振器を含み、各表面弾性波共振器は、それぞれの共振周波数を有する、ステップと、
   前記ベースライン・フィルタ設計の通過帯域上の入力インピーダンスに関連する性能測定基準を計算するステップと、
   １つ以上の代替フィルタ設計を確立するステップであって、前記１つ以上の代替フィルタ設計の各々は、前記複数の直列表面弾性波共振器の２つ以上及び／又は前記複数の分岐表面弾性波共振器の２つ以上の共振周波数を並べ替えることによって、前記ベースライン・フィルタ設計から得られる、ステップと、
   前記１つ以上の代替フィルタ設計の前記通過帯域上の各々の入力インピーダンスに関連するそれぞれの性能測定基準を計算するステップと、
   前記それぞれの性能測定基準に基づき、前記ベースライン・フィルタ設計及び前記１つ以上の代替フィルタ設計から最終フィルタ設計を選択するステップと、
   を含む方法。
2. 前記性能測定基準は、前記通過帯域上の最大反射係数であり、
   前記最終フィルタ設計を選択するステップは、前記ベースライン・フィルタ設計及び前記１つ以上の代替フィルタ設計から、前記通過帯域上で最も低い最大反射係数を有する設計を選択するステップを含む、請求項１に記載の方法。
3. 前記性能測定基準は、複素インピーダンス平面上に示された前記通過帯域上の前記入力インピーダンスを囲む最小サイズの円の直径であり、
   前記最終フィルタ設計を選択するステップは、前記ベースライン・フィルタ設計及び前記１つ以上の代替フィルタ設計から、前記複素インピーダンス平面上に示された前記通過帯域上の前記入力インピーダンスを囲む前記最小サイズの円の最少直径を有する設計を選択するステップを含む、請求項１に記載の方法。
4. 前記性能測定基準は、複素インピーダンス平面上に示された前記通過帯域の縁部における入力インピーダンス間の距離であり、
   前記最終フィルタ設計を選択するステップは、前記ベースライン・フィルタ設計及び前記１つ以上の代替フィルタ設計から、前記複素インピーダンス平面上に示された前記通過帯域の縁部における前記入力インピーダンス間の最小距離を有する設計を選択するステップを含む、請求項１に記載の方法。
5. 前記代替フィルタ設計を確立するステップ及び前記それぞれの性能測定基準を計算するステップは、前記複数の直列表面弾性波共振器及び前記複数の分岐表面弾性波共振器の前記共振周波数の全ての可能な並べ替えに対し繰り返される、請求項１に記載の方法。
6. 前記代替フィルタ設計を確立するステップは、前記複数の直列表面弾性波共振器及び前記複数の分岐表面弾性波共振器の前記共振周波数の無作為に選択した並べ替えに対し所定回数繰り返される、請求項１に記載の方法。
7. 前記代替フィルタ設計を確立するステップは、
   前記ベースライン・フィルタ設計で開始し、前記複数の直列表面弾性波共振器からの２つの直列共振器、若しくは前記複数の分岐表面弾性波共振器からの２つの分岐共振器の前記共振周波数を交換することによって新たなフィルタ設計を確立するステップと、
   前記新たなフィルタ設計に対する性能測定基準を計算するステップと、
   前記新たなフィルタ設計の前記性能測定基準が前記ベースライン・フィルタ設計の前記性能測定基準よりも改良されているか否かを判定するステップと、
   前記新たなフィルタ設計の前記性能測定基準が前記ベースライン・フィルタ設計の前記性能測定基準よりも改良されている場合、前記新たなフィルタ設計を前記ベースライン・フィルタ設計であると規定する、又は
   前記新たなフィルタ設計の前記性能測定基準が前記ベースライン・フィルタ設計の前記性能測定基準よりも改良されていない場合、前記新たなフィルタ設計を破棄し、前記ベースライン・フィルタ設計を保持するステップと、
   を更に含む、請求項１に記載の方法。
8. 前記新たなフィルタ設計が、前記第１の設計基準に加えて第２の設計基準を満たすかどうかを判定するステップと、
   前記新たなフィルタ設計が前記第２の設計基準を満たす場合、前記新たなフィルタ設計を前記最終フィルタ設計として選択する、又は
   前記新たなフィルタ設計が前記第２の設計基準を満たさない場合、請求項７に記載の方法を繰り返すステップと、
   を更に含む、請求項７に記載の方法。
9. 前記性能測定基準は、前記通過帯域上の最大反射係数であり、
   前記第２の設計基準は、前記通過帯域上の所定値を超えない最大反射係数である、請求項８に記載の方法。
10. 前記性能測定基準は、複素インピーダンス平面上に示された前記通過帯域上の前記入力インピーダンスを囲む最小サイズの円の直径であり、
    前記第２の設計基準は、所定値を超えない前記最小サイズの円の直径である、請求項８に記載の方法。
11. 前記性能測定基準は、複素インピーダンス平面上に示された前記通過帯域の縁部における入力インピーダンス間の距離であり、
    前記第２の設計基準は、前記通過帯域の縁部の反射係数間の所定値を超えない距離である、請求項８に記載の方法。
12. 第１の設計基準を満たすベースライン・フィルタ設計を確立するステップであって、前記ベースライン・フィルタ設計は、複数の直列表面弾性波共振器及び複数の分岐表面弾性波共振器を含み、前記各表面弾性波共振器は、それぞれの共振周波数を有する、ステップと、
    前記ベースライン・フィルタ設計の通過帯域上の入力インピーダンスに関連する性能測定基準をもたらすために、前記ベースライン・フィルタ設計を分析するステップと、
    １つ以上の代替フィルタ設計を確立するステップであって、前記１つ以上の代替フィルタ設計の各々は、前記複数の直列表面弾性波共振器の２つ以上及び／又は前記複数の分岐表面弾性波共振器の２つ以上の前記共振周波数を並べ替えることによって、前記ベースライン・フィルタ設計から得られる、ステップと、
    前記各代替フィルタ設計の通過帯域上の入力インピーダンスに関連するそれぞれの性能測定基準をもたらすために、前記１つ以上の代替フィルタ設計の各々を分析するステップと、
    前記それぞれの性能測定基準に基づき、前記ベースライン・フィルタ設計及び前記１つ以上の代替フィルタ設計から最終フィルタ設計を選択するステップと、
    を含む帯域通過フィルタの設計方法。

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