JP7240231B2 - フィルタ装置 - Google Patents

Description

本発明は帯域通過フィルタ装置に関する。

近年、広帯域で高い減衰特性を備える帯域通過フィルタ（ＢＰＦ）への要求が高まっている。そこで、広帯域を確保できる誘電体フィルタと、高い減衰特性を備えるＳＡＷフィルタとを組み合わせた複合フィルタが提案されている（例えば特許文献１）。

特許文献１には、誘電体ノッチフィルタと、誘電体ノッチフィルタの減衰帯域と減衰帯域を一致させたＳＡＷフィルタ（表面弾性波フィルタ）とが直列接続された複合フィルタが開示されている。

特開２００３－１７９４６３号公報

さらに広帯域で高い減衰特性を備えるフィルタ装置が求められている。

本発明は、かかる事情に鑑みて案出されたものであり、その目的は、広帯域で高い減衰特性を備えるフィルタ装置を提供することにある。

本開示の一態様としてのフィルタ装置は、第１および第２信号端子と、第１～第３並列腕と、第１～第３共振器とを備える。第１～第３並列腕は、第１および第２信号端子の間を電気的に接続する。第１共振器は、前記第１並列腕の途中に直列に接続された、共振点と反共振点とを備えるものである。前記第２共振器は、前記第２並列腕に並列に接続された、共振点と反共振点とを備えるものである。前記第３共振器は、少なくとも１つあり、前記第３並列腕の途中に直列に接続され、共振点のみを備えたものである。そして、前記第１共振器の共振点の周波数をｆ１ｒ，反共振点の周波数をｆ１ａ，前記第２共振器の共振点の周波数をｆ２ｒ，反共振点の周波数をｆ２ａ，前記第３共振器の共振点の周波数をｆ３ｒとしたときに、ｆ２ｒ＜ｆ２ａ＜ｆ３ｒ＜ｆ１ｒ＜ｆ１ａを満たす。

上記の構成からなるフィルタ装置は、広帯域であり、かつ、高い減衰特性を有する。

本開示の１実施形態に係るフィルタ装置の回路図である。 図２（ａ）～図２（ｄ）はフィルタ特性を示す線図である。 フィルタ装置の断面図である。 図１の変形例を示す回路図である。 図４に示すフィルタ装置のフィルタ特性を示す線図である。 図３の変形例を示す要部断面図である。 図１の変形例を示す回路図である。 本開示のフィルタ装置における結合行列の一例を示す図である。 比較例に係るフィルタ装置のフィルタ特性を示す線図である。

以下、本開示の実施形態に係るフィルタ装置について図面を参照して説明する。なお、以下の説明で用いられる図は模式的なものであり、図面上の寸法比率等は現実のものとは必ずしも一致していない。

また、変形例等において、既に説明された実施形態と共通または類似する構成について、既に説明された実施形態と共通の符号を用い、図示や説明を省略することがある。さらに第１共振腕３ａ，第２共振腕３ｂ・・のように関連する構成に共通する説明を行なう際には、単に共振腕３とし、「第１」，「第２」等の表記や「ａ」，「ｂ」等の表記を省略することがある。

図１は、本開示の一実施形態に係るフィルタ装置１の回路図を示すブロック図である。図１に示すように、フィルタ装置１は、信号端子Ｐ（第１信号端子Ｐ１，第２信号端子Ｐ２）と、共振腕３（第１～第３並列腕３（３ａ～３ｃ））と、共振器５（第１～第３共振器５ａ～５ｃ）とを備える。

信号端子Ｐは、高周波信号を入出力するためのポートである。以下の説明では、第１信号端子Ｐ１を入力側，第２信号端子Ｐ２を出力側として説明する。

第１信号端子Ｐ１と第２信号端子Ｐ２との間には第１並列腕３ａ，第２並列腕３ｂ，第３並列腕３ｃとが並列接続されている。

そして、第１並列腕３ａには、その途中に第１共振器５ａが直列接続されている。第１共振器５ａは、共振点と反共振点とをもつ共振器であり、それぞれの周波数はｆ１ｒ，ｆ１ａである。

第２並列腕３ｂには、その途中に第２共振器５ｂが並列接続されている。第２共振器５ｂは第２並列腕３ｂと基準電位との間に接続されていると言い換えることもできる。このような第２共振器５ｂは、共振点と反共振点とをもつ共振器であり、それぞれの周波数はｆ２ｒ，ｆ２ａである。

第３並列腕３ｃには、その途中に少なくとも１つの第３共振器５ｃが直列接続されている。第３共振器５は共振点のみを有しており、その周波数はｆ３ｒである。第３共振器５ｃは複数あってもよく、互いに直列接続させてもよい。また、共振器３ｃを複数設ける場合には、共振器３ｃ間に両者の結合を調整するための容量を追加してもよい。この例では、第３共振器５ｃを４個直列接続した場合について示している。

ここで、個々の共振器３の共振周波数，反共振周波数は以下の関係を満たす。
ｆ２ｒ＜ｆ２ａ＜ｆ３ｒ＜ｆ１ｒ＜ｆ１ａ
なお、第３共振器５ｃが複数個あり、それぞれの共振周波数ｆ３ｒが互いに異なっている場合には、いずれの値もｆ２ａよりも大きく、ｆ１ｒよりも小さくしてもよい。複数個の第３共振器５ｃを直列接続してなる１つのフィルタとしての共振周波数をｆ３ｒとしてもよい。

このように、フィルタ装置１は、第１～第３共振器５ａ～５ｃが並列接続された構成となっている。このような構成とすることで、個々の共振器３の結合を自由に調整することができ、その結果、異なる性質の共振器を接続しても全体としてのフィルタ特性を実現することができる。

図２に第１共振器５ａ、第２共振器５ｂとして、ＳＡＷ共振子を、第３共振器５ｃとしてＱ値１５０のＬＴＣＣフィルタ（λ／４共振器）を用い、第３共振器５ｃを４個直列接続した場合のフィルタ特性についてシミレーションした結果を示す。なお、ＳＡＷ共振子は表面弾性波（Surface Acoustic Wave）を用いた共振子であり、ＬＴＣＣフィルタは低
温同時焼成セラミックス（Low Temperature Co-fired Ceramics）を用いた多層回路基板
に形成されるフィルタを指すものとする。第３共振器５ｃとしてλ／４共振器を用いる場合には、並列腕３ｃに基準電位に繋がるλ／４線路を設けることになる。したがって、第３並列腕３ｃに複数のλ／４線路が並列接続されているとも見ることができる。図中において、実線は挿入損失（Ｓ２１）を、破線は反射損失（Ｓ１１）を示している。

図２において横軸は周波数（単位：ＧＨｚ）、縦軸は減衰特性（単位：ｄＢ）を示している。図２（ａ）は第１共振器５ａの周波数特性を、図２（ｂ）に第２共振器５ｂの周波数特性を、図２（ｃ）に第３共振器５ｃを４個直列接続した共振器の周波数特性を、図２（ｄ）にはフィルタ装置１の周波数特性をそれぞれ示している。図中からも明らかなように、第１共振器５ａの反共振点（ｆ１ａ）と第２共振器５ｂの共振点（ｆ２ｒ）とが、第３共振器５ｃの帯域の肩に位置している。特に、第２共振器５ｂは共振点および反共振点をもち、かつ並列に接続されていることから、帯域の肩に共振点（ｆ２ｒ）を位置させることができ、帯域内の特性を維持することができる。そして、第３共振器５ｃの個々の共振点（ｆ３ｒ１～ｆ３ｒ４）は第１共振器５ａの反共振点（ｆ１ａ）と第２共振器５ｂの共振点（ｆ２ｒ）との間に位置している。

そして、図２（ｄ）からも明らかなように、第３共振器５ｃの広帯域の特性は維持しつつも、第１共振器５ａ，第２共振器５ｂにより減衰特性を高め、急峻な肩特性を実現していることが分かった。また、異なる種類（性質）の共振器を組み合わせても良好なフィルタ特性を実現できることを確認した。

ここで、図１に示すように、共振器５の両側には、容量やインダクタを介在させてもよい。この場合には、この容量・インダクタにより各共振器５間の結合を調整することができる。

なお、フィルタ装置１の特性は、各共振器５間の結合を結合行列により設計している。本特性を出すためには、フィルタの通過帯域よりも高周波数側に減衰極を有する共振器（第１共振器５ａ）と、通過帯域よりも低周波数側に減衰極を有する共振器（第２共振器５ｂ）と、通過帯域を維持する共振器（第３共品器５ｃ）とが互いに結合しないようにする。

そして、フィルタとしての通過帯域を形成するためには、各並列腕３の最も第２信号端子Ｐ２側に位置する共振器５の位相が重要となる。そこで、例えば、図８に示す結合行列を実現させるよう、容量やインダクタを介在させる。この例では、第２信号端子Ｐ２側には全て容量が直列接続されている。後述するが、第３共振器５ｃの数が偶数個の場合には容量を挿入するとよい。

図1に示す場合は、第２信号端子P2における直前の素子は、すべて容量が選択されてい
る。ただし、全て容量でなくてもよい。例えば、第１共振器５ａと、第２共振器５ｂとの両側に位置する素子をすべて容量とした場合には、第３共振器５ｃの数が奇数のときには、共振器５ｃの第２信号端子P2における直前の素子は、インダクタとなり、第３共振器５ｃの数が偶数のときには容量となる。

なお、この例では複数の第３共振器５ｃ内において飛び越し結合をさせていないが、減衰極を増やすために飛び越し結合を設けてもよい。例えば、図１において第３共振器５ｃ
のうち最も第１信号端子Ｐ１側に位置する共振器と、最も第２信号端子Ｐ２側に位置する共振器との間にインダクタ性の飛び越し結合を設けてもよい。

次に、上述の構成を実現する具体的な構成について説明する。図３はフィルタ装置１の断面図を示す。フィルタ装置１は、誘電体基板１０と、誘電体基板１０の上面に実装された機能部品２０と機能部品３０とを備える。

誘電体基板１０は複数の誘電体層１１が積層されてなる。誘電体層１１は特に限定されないが、例えばチタン酸バリウム等のセラミック材料からなる、誘電体層１１を構成する材料は、所望のフィルタ特性，サイズを実現できる誘電率、ｔａｎδを備える材料を選択してもよい。

誘電体層１１の上には、各種導体パターン１３が形成されている。これらの導体パターン１３と誘電体層１１とにより第３共振器５ｃであるλ／４共振器等が形成されたり、結合を調整するための容量やインダクタが形成されたり各共振器５間を接続する配線が形成されたりする。また、誘電体層１１を厚み方向に貫通する貫通導体１５により、層間の電気的接続を実現することができる。また、λ／４共振器を構成する際には、一般的に使用されているステップ型λ／４共振器などの小型共振器を用いても良い。さらに、高Q化の
ため、一部にλ／２共振器や同軸共振器を用いても良い。

誘電体基板１０の下面には複数のパッド導体１７が形成されている。これらパッド導体１５がフィルタ装置１と外部回路との電気的接続を可能とする。例えば、パッド導体１７Ｓが高周波信号の入出力を可能とする端子Ｐとして機能し、パッド導体１７Ｇが基準電位に接続されるグランド端子として機能する。

そして、機能部品２０は、圧電基板を含む基板２１と、基板２１の圧電基板に形成されたＩＤＴ電極２３とを含む。すなわち、機能部品２０は、ＳＡＷ共振子としての第１共振器３ａを実現する構成となっている。

圧電基板としては、タンタル酸リチウム単結晶、ニオブ酸リチウム単結晶、水晶等を用いることができる。基板２１は、圧電基板単体でもよいし、薄層状の圧電基板を直接または間接的に支持する支持基板とを合わせた複合基板であってもよい。薄層状の圧電基板を用いる場合には、３ＧＨｚ、５ＧＨｚ等の高周波帯にも対応が可能となる。支持基板としてはＳｉ基板やサファイア基板を用いることができる。ＩＤＴ電極２３は、圧電基板の上面に導体層をパターニングして形成されたものであり、互いに異なる電位に接続される電極指が互い違いに配列されたものである。なお、ＩＤＴ電極の電極指の配列方向の両側には、反射器電極を含んでいてもよい。

同様に機能部品３０も、圧電基板を含む基板３１と、基板３１の圧電部に形成されたＩＤＴ電極３３とを含み、ＳＡＷ共振子としての第２共振器３ｂを実現する構成となっている。

結合を調整するための容量やインダクタは、誘電体基板１０側に設けてもよいし、機能部品２０，機能部品３０の側に設けてもよい。

このような構成により、図１に示す回路構成を実現することができる。なお、機能部品２０，３０は、ＩＤＴ電極２３，３３を空間内に収容するカバー２５，３５を備えている。カバー２５，３５はいわゆるＷＬＰ（ウェハレベルパッケージ）を実現するもので、樹脂材料等で形成されている。このカバー２５，３５にＣｕ等の導体パターンで結合を調整するための容量やインダクタを形成する場合には、フォトリソ工程を用いることができるので、精密なパターニングが可能となる。

ここで、共振器５を並列接続した場合には、個々の共振器５間の結合を自由に設計できる一方で、１つの共振腕３における共振器５の特性のばらつきが他の全ての共振腕３における共振器５に影響することとなる。これに対して、機能部品２０，３０を精密な導体パターニングが可能なＷＬＰ型のカバー２５，３５を備える場合には、各並列腕３における特性制御を精密にすることができるものとなる。

＜変形例＞
図１に示す例では、第３共振器５ｃが４個、すなわち偶数個備える場合について説明したが、奇数個であってもよい。図４に第３共振器５ｃを１個（奇数個）備えるフィルタ装置１Ａの回路図を示す。以下、フィルタ装置１Ａにおいて、フィルタ装置１と異なる点についてのみ説明し、同様の構成についての説明は省略する。

フィルタ装置１では、第２並列腕３ｂにおいて、第２共振器５ｂの両側に位置する結合調整用の素子が共に容量であったのに対して、フィルタ装置１Ａでは、第２共振器５ｂの第１信号端子Ｐ１側には容量を、第２信号端子Ｐ２側にはインダクタを直列接続している。

第３共振器５ｂが奇数個の場合には、位相特性等を勘案すると、結合の調整の一方をインダクタにする必要がある。

このような構成のフィルタ装置１Ａのフィルタ特性を図５に示す。図５において、横軸は周波数（単位：ＧＨｚ），縦軸は減衰量（単位：ｄＢ）であり、実線は挿入損失を、破線は反射損失を示している。図５からも明らかなように、広い通過帯域と急峻な肩特性とを実現できていることが確認された。

なお、比較例として、フィルタ装置１Ａにおいて、第２共振器５ｂの第２信号端子Ｐ２側のインダクタを容量に変えたモデルを作製した。この比較例にかかるフィルタ特性を図９に示す。図９において、横軸は周波数（単位：ＧＨｚ），縦軸は減衰量（単位：ｄＢ）であり、実線は挿入損失を、破線は反射損失を示している。

図９に示す通り、比較例にフィルタ装置によれば通過帯域内に矢印で示すリップル（減衰極）が位置してしまうことが分かった。この例では、第３共振器５ｃの個数は１であったが、２，３の場合も同様に第２共振器５ｂの第２信号端子Ｐ２側に容量を配置した場合とインダクタを配置した場合についてフィルタ特性を測定した。その結果、第３共振器５ｃの個数が奇数の場合には共通して、インダクタを配置する必要があり、偶数の場合には容量を配置する必要があることが分かった。

＜変形例＞
図３に示す例では機能部品２０，３０としてＳＡＷ共振子を構成する場合を例に説明したが、図６に示すようにＢＡＷ（Ｂｕｌｋ Ａｃｏｕｓｔｉｃ Ｗａｖｅ）共振子としてもよい。図６は、機能部品２０Ａの断面図である。

機能部品２０Ａは、基板２１Ａに、圧電部２７と、これを厚み方向に挟む電極２３Ａとで構成されるＢＡＷ共振子が配置されている。基板２１Ａは例えばＳｉ基板である。ＢＡＷ共振子は、その振動を妨げないように、基板２１Ａに対して空隙を介して配置したり、音響反射膜を介して配置したりしている。図６においては、空隙を介して配置した場合を示している。

ここで、フィルタ装置として、機能部品２０，３０の双方をＢＡＷ共振子で構成してもよいし、一方をＢＡＷ共振子、他方をＳＡＷ共振子で構成してもよい。

＜変形例＞
上述の例では、並列腕３は３本のみ設けた場合を例に説明したがこの限りではない。例えば、図７に示すように、並列腕３ｄを新たに追加し、第１共振器５ａ，第２共振器５ｂを設けてもよい。並列腕３の数を増やしても、個々の共振器５は独立しているため、フィルタを設計することができる。例えば、直列に接続される第１共振器５ａを備える並列腕３を１つ、並列に接続される第２共振器５ｂを備える並列腕３を１つ、追加してもよい。

なお、共振器５ａ，共振器５ｂについては、１つの並列腕３には、１つの共振器５をとするのがよい。

また、共振器５ａと、共振器５ｂとを同じ並列腕３に接続することはできない。これは、減衰極が低域側と高域側に発生するので、広帯域なフィルタではフィルタの通過帯域内に減衰極が入り込みフィルタ特性を実現できないためである。一方、２つの共振器５ａを同じ並列腕３の内で直列に接続することは、理論上は可能である。ただし、狭帯域なフィルタ設計をした後に並列接続させる必要があるため、設計は複雑となる。

また、図４に示すフィルタ装置１Ａにおいて、第３共振器３ｃの両側に位置する容量に変えて両側共にインダクタに変えても同様に良好なフィルタ特性を得ることができることを確認している。

１・・・フィルタ装置
３・・・並列腕
３ａ・・・第１並列腕
３ｂ・・・第２並列腕
３ｃ・・・第３並列腕
５・・・共振器
５ａ・・・第１共振器
５ｂ・・・第２共振器
５ｃ・・・第３共振器
Ｐ１・・・第１信号端子
Ｐ２・・・第２信号端子

Claims (6)

1. 第１および第２信号端子の間を電気的に接続する第１～第３並列腕と、
   前記第１並列腕の途中に直列に接続された、共振点と反共振点とを備える第１共振器と、前記第２並列腕に並列に接続された、共振点と反共振点とを備える第２共振器と、
   前記第３並列腕の途中に直列に接続された、共振点を備える少なくとも１つの第３共振器と、を備え、
   前記第１共振器の共振点の周波数をｆ１ｒ，反共振点の周波数をｆ１ａ，前記第２共振器の共振点の周波数をｆ２ｒ，反共振点の周波数をｆ２ａ，前記第３共振器の共振点の周波数をｆ３ｒとしたときに、ｆ２ｒ＜ｆ２ａ＜ｆ３ｒ＜ｆ１ｒ＜ｆ１ａを満たし、
   前記少なくとも１つの第３共振器は、ｆ２ａからｆ１ｒの間に、反共振点を有さず、
   前記第１並列腕、前記第２並列腕及び前記第３並列腕を相互に接続することによってラダー型フィルタを形成する直列腕を有しない、
   フィルタ装置。
2. 前記第１並列腕，前記第２並列腕，および前記第３並列腕の少なくとも１つには、途中に容量部またはインダクタ部が介在している、請求項１に記載のフィルタ装置。
3. 前記第３並列腕には、前記第３共振器が偶数個直列接続されており、
   前記第２並列腕の途中には、前記第２共振器より第１信号端子の側と、前記第２共振器よりも前記第２信号端子の側とに、容量部がそれぞれ直列接続されている、請求項１に記載のフィルタ装置。
4. 前記第３並列腕には、前記第３共振器が奇数個直列接続されており、
   前記第２並列腕の途中には、前記第２共振器より第１信号端子の側に容量部が、前記第２共振器よりも前記第２信号端子の側にインダクタ部がそれぞれ直列接続されている、請求項１に記載のフィルタ装置。
5. 前記第１共振器および前記第２共振器はＳＡＷ共振子であり、前記第３共振器は誘電体共振器である、請求項１乃至４のいずれかに記載のフィルタ装置。
6. 前記第１共振器および前記第２共振器はＢＡＷ共振子であり、前記第３共振器は誘電体共振器である、請求項１乃至４のいずれかに記載のフィルタ装置。

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