JPH05129884A - 多段接続多重モードフイルタ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 本発明は、通過帯域幅を広げつつ、通過帯域
内の特性を良好に保つことができる多段接続多重モード
フィルタを提供することを目的としている。 【構成】 機械振動を利用する２つのフィルタ素子３
ａ、３ｂを組合せて対称モードの共振周波数と反対称モ
ードの共振周波数とのモード結合により所望の通過周波
数帯域を得るように励振媒体上に形成された多重モード
フィルタ２ａ、２ｂを、複数段直列に接続した多段接続
多重モードフィルタにおいて、当該多段接続多重モード
フィルタの入力端８及び出力端９並びに多重モードフィ
ルタ２ａ、２ｂ間の接続部分１０に、それぞれインダク
タンス素子１１ａ、１１ｂ、１１ｃを並列に接続したも
のである。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、多段接続された弾性表
面波多重モードフイルタ等の多段接続多重モードフィル
タに関する。

【０００２】

【従来の技術】弾性表面波を利用して低損失で狭帯域の
フィルタを構成する場合、基本波のモードと高次の振動
モードとを結合させようにした多重モードフィルタとす
ることが有効であり、近年では盛んに採用されている。

【０００３】例えば、２つの弾性表面波共振器を表面波
の伝搬方向に対し垂直な位置に近接して配置すると、対
称モードと反対称モードの二種類のモードが生じ、共振
器間の音響的結合によりモード結合フィルタを構成する
ことができる。

【０００４】図７はこのような弾性表面波共振器による
フィルタの構成を示す図である。

【０００５】図において、１は水晶基板であり、水晶基
板１の表面には、弾性表面波を励振するインターディジ
タル電極（以下、ＩＤＴと呼ぶ。）３ａ及びＩＤＴ３ａ
の両側に弾性表面波を反射させる反射器４ａ、５ａを配
置してなる弾性表面波共振器６ａと、同様にＩＤＴ３ｂ
及び反射器４ｂ、５ｂを配置してなる弾性表面波共振器
６ｂとが、共通電極７を介して縦属接続されている。

【０００６】そして、これら２つの弾性表面波共振器６
ａ、６ｂが導波路を形成し、励振される弾性表面波はそ
のポテンシャル分布が共通電極７に対して対称な対称モ
ード（図７（ａ））と、反対称な反対称モード（図７
（ｂ））の２つのモードを発生させる。

【０００７】ここで、対称モードの共振周波数をｆs 、
反対称モードの共振周波数をｆa とすると、２つのモー
ドの音響的結合によりｆs からｆa に亘り低損失なフィ
ルタを実現することができる。

【０００８】なお、例えば移動体通信用の弾性表面波フ
ィルタは、通常システムのフロント、エンド部に利用さ
れるため、通過帯域では低損失、阻止域では高減衰量が
要求される。そのため、一般に、多重モードフィルタを
多段接続構成として、阻止域すなわち帯域外の高減衰量
を得ている。

【０００９】ところで、対称モードの共振周波数ｆs と
反対称モードの共振周波数ｆa とのモード周波数差ｆa
−ｆs がフィルタの通過帯域幅をほぼ決定する。そし
て、フィルタを設計する上で、このモード間周波数差を
求めることが最も重要である。ここで、このモード間周
波数差の傾向を探るため本発明者等が行った実験結果を
図８に示す。

【００１０】なお、周波数差ｆa −ｆs に影響するパラ
メータとして、図７に示した弾性表面波共振器６ａ、６
ｂの電極指交差幅ＷL 、並置された２つの弾性表面波共
振器６ａ、６ｂ間の距離Ｇ、電極膜厚ｈが主に考えられ
るが、この実験では、これらのパラメータのうち、２つ
の弾性表面波共振器６ａ、６ｂ間の距離Ｇを一定値に固
定して、電極指交差幅ＷL 、及び電極膜厚ｈを数種類変
化させ傾向を探った。また、圧電基板として温度特性の
優れたθ＝36°ＳＴカット水晶を用い、金属電極はＡ１
で形成し、ＩＤＴ対数を300 対、両側の反射器は300 本
に設定した。さらに、Ａｌ膜厚をｈ／λ＝0.019 、0.03
7 、0.049 の３種類（λ：表面波の波長）、電極指交差
幅をＷL ／λ＝5 、10、15の３種類とし、Ｇ／λ＝１に
固定した。 図８に示す結果から言えることは、電極指
交差幅をＷL の増加とともにモード間の周波数差は狭ま
り、またＡｌ膜厚ｈの増加によってもモード間の周波数
差は狭まる傾向にある。

【００１１】実際にフィルタを構成した場合、実用的な
通過帯域幅は比通過帯域幅で考えて0.0001〜0.002 程度
と推定できる。

【００１２】一方、弾性表面波モード結合フィルタは、
音響結合による２つのモードを利用しており、モノリシ
ッククリスタルフィルタと同様の動作原理で説明でき
る。

【００１３】すなわち、図９に示す対称格子型回路で諸
特性を計算することが可能である。同図に示すＺａは対
称モードの共振系を、Ｚｂは反対称モードの共振系を表
すインピーダンスである。

【００１４】ここで、イメージパラメータ法によるフィ
ルタ構成法を用いて特性を考えてみる。

【００１５】図１０はＺａ及びＺｂのそれぞれのリアク
タンスＸａ、Ｘｂの周波数特性、さらにフィルタの振幅
特性を示したものである。

【００１６】同図において、対称モードの共振周波数を
ｆs1、反共振周波数をｆs2、同様に反対称モードの共振
周波数をｆa1、反共振周波数をｆa2とすると、イメージ
パラメータ法の考え方では、ＸａとＸｂの符号が同符号
のときフィルタの減衰域、異符号のとき通過域となる。
図１０の場合、対称モードの反共振周波数ｆs2が反対称
モードの共振周波数ｆa1に一致しており、対称モードの
共振周波数ｆs1から反対称モードの反共振周波数ｆa2の
周波数領域でＸａとＸｂは互いに異符号の関係にある。
すなわち、図１０の振幅特性にみられるように、対称モ
ードの共振周波数ｆs1から反対称モードの反共振周波数
ｆa2に亘りフィルタ通過域となる。

【００１７】これに対し、図１１はｆs2とｆa1が一致し
ていない場合の例であり、対称モードの反共振周波数ｆ
s2から反対称モードの共振周波数ｆa1の周波数領域でＸ
ａとＸｂの符号が同符号となって減衰域にあたる。よっ
て、振幅特性の通過域を歪ませてしまう。

【００１８】以上より、弾性表面波モード結合フィルタ
を構成するにあたり、その通過域が良好な特性を得るた
めには、対称モードの反共振周波数ｆs2と反対称モード
の共振周波数ｆa1をほぼ一致させる必要があるという結
論になる。

【００１９】ただし、ここで重要なことは、単体の共振
器がその共振周波数と反共振周波数との差をどこまで延
ばせるかを把握することである。

【００２０】図１２はその計算結果を表したもので、Ａ
ｌの膜厚をパラメータにして、ＩＤＴ対数を変化させた
ときの共振周波数と反共振周波数との差を描いたもので
ある。 同図に示すように、Ａｌの膜厚によらずＩＤＴ
対数が２００対を越えると、共振周波数（ｆ1 ）と反共
振周波数（ｆ2 ）との差は飽和してしまうため、（ｆ2
−ｆ1 ）／ｆ2 ＝0.0004が限界である。換言するなら
ば、対称モード（ｆs ）と反対称モード（ｆa ）の比モ
ード間周波数差が（ｆa −ｆs ）／ｆa ＝0.0004以下で
あれば通過帯域の良好なフィルタを得ることができる
が、それ以上広がると通過帯域に歪が生じ、遅延リップ
ル等を悪化させてしまう。図８のモード間周波数差実験
値から見ればＡｌ膜厚比が0.05の場合、交差幅は 8λ以
下にあたり、Ａｌ膜厚比が0.02では約12λ以下になる。

【００２１】一方、ＩＤＴ対数が200 対以下の場合電極
の膜厚の増加によっても共振周波数と反共振周波数との
差を延ばすこも考えられるが、次のような問題がある。

【００２２】すなわち、水晶横モード結合フィルタは表
面波共振器を考えを基としているものであるから、対称
モード、反対称モードの他に、高次の横モードスプリア
ス、さらには縦モードスプリアスが現れることは当然、
予見される。このスプリアスはフィルタの減衰域におい
て急峻なレスポンスとしてみられる他、通過帯域を歪ま
せる原因ともなる。特に、電極膜厚の増加に伴いスプリ
アスの数が増え、またレスポンスのレベルも大きくな
る。素子の製造面から考えてもパターンニングの困難
さ、電極線幅の制御の難しさからみて厚い電極膜厚に設
定することは、不利である。従って、この電極膜厚は、
経験的にみて、波長で正規化した膜厚比（ｈ／λ）を0.
04以下とすることが望ましい。ここで、図８を見れば、
（ｆa −ｆs）／ｆa が0.0004を越え、ｈ／λ≦0.04の
範囲はおおむね共振器の交差幅ＷL が10波長以下とな
る。

【００２３】なお、フィルタの通過帯域幅はおおむねモ
ード間周波数差の1.5 倍程度膨らむため、比通過帯域幅
で0.0006〜0.0007が実現できる限界である。

【００２４】

【発明が解決しようとする課題】このように通過帯域幅
を広げるためには、所定条件下で共振周波数と反共振周
波数との差を大きくすればよい。そのため、従来の技術
で説明したように、インターディジタル電極の対数を増
加すること或いは電極膜厚を厚くすることが考えられ
る。

【００２５】しかし、インターディジタル電極の対数を
増加してもその対数が200対を越えた場合には、共振周
波数と反共振周波数との差が飽和し、通過帯域に歪が生
じるという問題がある。

【００２６】また、ＩＤＴ対数が200 対以下で電極膜厚
を厚くする場合には、各種スプリアスが増大し、減衰帯
域で急峻なレスポンスが生じ、また通過帯域に歪が生じ
るという問題がある。しかも、製造面において、パター
ンニングが困難である。

【００２７】本発明は、かかる課題を解決するために成
されたもので、通過帯域幅を広げつつ、通過帯域内の特
性を良好に保つことができる多段接続多重モードフィル
タを提供することを目的としている。

【００２８】

【課題を解決するための手段】本発明は上記した目的を
達成するために、機械振動を利用する２つのフィルタ素
子を組合せて対称モードの共振周波数と反対称モードの
共振周波数とのモード結合により所望の通過周波数帯域
を得るように励振媒体上に形成された多重モードフィル
タを、複数段直列に接続した多段接続多重モードフィル
タにおいて、当該多段接続多重モードフィルタの入力端
及び出力端並びに前記多重モードフィルタ間の接続部分
に、それぞれインダクタンス素子を並列に接続したこと
を特徴とする。

【００２９】

【作用】例えば、弾性表面波共振器は、図２に示す回路
に等価でき、この等価回路により弾性表面波共振器の共
振周波数近傍の特性を表現することができる。

【００３０】つまり、共振特性は、インダクタンスＬ1
、容量Ｃ1 び抵抗Ｒ1 からなる直列アームによって決
定し、反共振特性すなわち並列共振には、インターディ
ジタル電極の静電容量Ｃ0 が寄与する。

【００３１】ここで、この共振器における共振周波数ｆ
1 と反共振周波数ｆ2 との差は、直列容量Ｃ1 と並列容
量Ｃ0 との比によって表される。すなわち、 ２（ｆ2 −ｆ1 ）／ｆ2 ＝Ｃ1 ／Ｃ0 ＝１／γ となる。なお、γとは、容量比である。

【００３２】従って、共振周波数と反共振周波数との差
を広げるためには、並列容量Ｃ0 を小さくして容量比γ
を小さくすればよい。

【００３３】そこで、本発明では、図２において、破線
で示すインダクタンスＬx （特許請求の範囲にいうイン
ダクタンス素子）を並列に接続し、見かけの上でのＣ0
を小さくしている。そして、この場合、インダクタンス
Ｌx の値は、共振周波数と反共振周波数との差（ｆ1 −
ｆ2 ）がモード間周波数差（ｆa −ｆs ）に等しくなる
ように調整すればよい。

【００３４】すなわち、インダクタンスＬx は、 Ｌx ＝１／ω² （Ｃ0 −Ｃx ） となる。ただし、ωは表面波の角周波数、 Ｃx ＝Ｃ1 ｛（ｆa −ｆs ）／ｆa ）｝^-1／２ である。

【００３５】また、電源及び負荷の終端抵抗Ｒは、 Ｒ＝１／ωＣx により求められる。

【００３６】なお、本発明では、多重モードフィルタを
複数段直列に接続しているため、多重モードフィルタ間
にもインダクタンスを同様に接続する必要がある。そし
て、この場合、そのインダクタンスの値は、Ｌx ／２と
なる。

【００３７】つまり、通過帯域幅を広げるためには、共
振周波数と反共振周波数との差を大きくすればよい。そ
のため、従来の技術で説明したように、インターディジ
タル電極の対数を増加すること或いは電極膜厚を厚くす
ることが考えられる。

【００３８】しかし、インターディジタル電極の対数を
増加してもその対数が200対を越えた場合には、共振周
波数と反共振周波数との差が飽和し、通過帯域に歪が生
じることがある。

【００３９】また、ＩＤＴ対数が200 対以下で電極膜厚
を厚くする場合には、各種スプリアスが増大し、減衰帯
域で急峻なレスポンスが生じ、また通過帯域に歪が生じ
ることがある。しかも、製造面において、パターンニン
グが困難である。

【００４０】そこで、本発明は、多段接続多重モードフ
ィルタの入力端及び出力端並びに多重モードフィルタ間
の接続部分に、それぞれインダクタンス素子を並列に接
続することで、反共振特性に寄与する静電容量を見かけ
上小さくして共振周波数と反共振周波数との差を大きく
し、通過帯域幅を広げつつ、通過帯域内の特性を良好に
保つことを可能としている。

【００４１】なお、従来の技術で説明したように、イン
ターディジタル電極の対数を増加すること或いは電極膜
厚を厚くすることで通過帯域幅を広げることは、インタ
ーディジタル電極の電極指交差幅が10波長までが限界で
ある。よって、本発明は、電極指交差幅が10波長以下に
おいて特に有効である。

【００４２】

【実施例】以下、本発明を多段接続された弾性表面波多
重モードフイルタに適用した実施例を説明する。

【００４３】図１はその弾性表面波多重モードフイルタ
の上面図である。

【００４４】同図において、１は水晶基板である。

【００４５】水晶基板１の表面には、２組の弾性表面波
多重モードフィルタ２ａ、２ｂが直列に接続されるよう
に形成されている。

【００４６】各弾性表面波多重モードフィルタ２ａ、２
ｂは、弾性表面波を励振するインターディジタル電極
（以下、ＩＤＴと呼ぶ。）３ａ及びＩＤＴ３ａの両側に
弾性表面波を反射させる反射器４ａ、５ａを配置してな
る弾性表面波共振器６ａと、同様にＩＤＴ３ｂ及び反射
器４ｂ、５ｂを配置してなる弾性表面波共振器６ｂと
が、共通電極７を共有してなるものである。

【００４７】ここで、上記ＩＤＴ３ａ、３ｂの電極指交
差幅ＷL は、対称モードの共振周波数ｆs と反対称モー
ドの共振周波数ｆa により決まる比モード間周波数差
（ｆa −ｆs ）／ｆa が0.0004以上の条件、すなわちＷ
L ≦10λに設定されている。

【００４８】また、弾性表面波多重モードフィルタ２
ａ、２ｂの入力端８及び出力端９並びに弾性表面波多重
モードフィルタ２ａ、２ｂ間の接続部分１０には、それ
ぞれインダクタンス素子１１ａ、１１ｂ、１１ｃが並列
に接続されている。そして、これらインダクタンス素子
１１ａ、１１ｂ、１１ｃのインダクタンスＬx の値は、
共振周波数と反共振周波数との差（ｆ1 −ｆ2 ）がモー
ド間周波数差（ｆa −ｆs ）に等しくなるように調整さ
れている。

【００４９】つまり、この実施例の弾性表面波多重モー
ドフイルタでは、インダクタンス素子１１ａ、１１ｂ、
１１ｃにより反共振特性に寄与する静電容量を見かけ上
小さくして共振周波数と反共振周波数との差を大きくし
ているので、比通過帯域幅が0.0007より広いフィルタ、
換言するならば比モード間周波数差（ｆa −ｆs ）／ｆ
a ≧0.0004のとき問題となる通過帯域内のリップルを平
坦化させることができる。

【００５０】次に、本発明の効果を確認するために行っ
た実験結果を示す。

【００５１】図３は本発明に係る多段接続弾性表面波多
重モードフイルタの振幅特性を示す図である。一方、図
４は従来例の多段接続弾性表面波多重モードフイルタの
振幅特性を示したものである。なお、この実験では、基
板にθ＝36°ＳＴ水晶を用い、電極のＡｌ膜厚を0.25μ
m 、ＩＤＴの対数を300 対、反射器の電極数を 300本、
電極指交差幅ＷL を 5λ、共振器間距離Ｇを 2λ、設定
中心周波数ｆ0 を250MHz（実測値ｆ0 ＝249.5MHz）に設
定した。この場合、比モード間周波数差（ｆa−ｆs ）
／ｆa は0.001 であった。

【００５２】ところで、図９に示すように弾性表面波多
重モードフィルタの等価回路は対称格子回路で表される
が、より具体的に表現すれば、図５に示すように対称モ
ードの共振系Ｚａと反対称モードの共振系Ｚｂが音響的
な結合を表す変換器により結びつけられており、さらに
ＩＤＴによって決まる静電容量Ｃ0 が両端に並列接続さ
れた２端子対回路で表現できる。そして、この２端子対
回路が直列接続され２段接続型になる。通常、終端抵抗
Ｒは静電容量Ｃ0 で決まりＲ＝ 1／ωＣ0 （ω：表面波
の角周波数）となる。

【００５３】前述の実験結果でいえば、インダクタンス
素子１１ａ、１１ｂ、１１ｃがない場合の静電容量Ｃ0
は測定結果からＲ＝300 Ωであり、300 Ωの終端抵抗に
より周波数特性を求めた結果が図４（従来のもの）であ
る。この周波数特性では、通過帯域内で大きく割れが生
じているため、フィルタとしての機能を満たすことがで
きない。

【００５４】これに対し、共振周波数と反共振周波数と
の差（ｆ1 −ｆ2 ）がモード間周波数差（ｆa −ｆs ）
に等しくなるようにインダクタンス素子１１ａ、１１
ｂ、１１ｃのインダクタンスを求めると、インダクタン
ス素子１１ａ、１１ｂのインダクタンスＬは280nH 、イ
ンダクタンス素子１１ｃのインダクタンスＬｍは140nH
となり、また終端抵抗Ｒはり650 Ωとなる。この終端条
件を用いて特性を測定した結果が第３図（本発明のも
の）である。この周波数特性では、従来例の特性に見ら
れた通過帯域内の大きな割れは解消され、通過域全体に
亘りほぼ平坦な特性が得られ、比通過帯域幅0.0011のフ
ィルタが実現されることが確認された。

【００５５】なお、上述した実施例では、２段接続によ
る弾性表面波多重モードフイルタにつき説明したが、図
６に示すように３段以上の多段接続構成でも勿論よく、
同様の効果が得られる。この場合、接続する段数が多い
ほど通過帯域外で高減衰量を得ることができ、フィルタ
の阻止域を十分とることができる。また、インダクタン
スＬ、Ｌｍ、および終端抵抗Ｒは前述の方法で算出すれ
ばばよい。

【００５６】また、上述した本実施例は水晶基板にＳＴ
カットを用い、弾性表面波を利用したものであるが、本
発明は弾性表面波による素子のみならず、回転Ｙ板Ｚ方
向伝搬の水晶等のように横波の変位をもつＳＳＢＷ（Su
rface Skimming Bulk Wave）、或いは基板表面に摂動を
与えることによって生じるＳＴＷ（Surface Transverse
Wave ）等に対しても同様に適用でき、同様の効果が得
られる。 以下、本発明の実施例を図面を参照して詳細
に説明する。

【００５７】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、多
段接続多重モードフィルタの入力端及び出力端並びに多
重モードフィルタ間の接続部分に、それぞれインダクタ
ンス素子を並列に接続することで、反共振特性に寄与す
る静電容量を見かけ上小さくして共振周波数と反共振周
波数との差を大きくしているので、通過帯域幅を広げつ
つ、通過帯域内の特性を良好に保つことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明に係る弾性表面波多重モードフイルタ
の上面図

【図２】 弾性表面波共振器の等価回路図

【図３】 本発明に係る多段接続弾性表面波多重モード
フイルタの振幅特性図

【図４】 従来の多段接続弾性表面波多重モードフイル
タの振幅特性図

【図５】 多段接続弾性表面波多重モードフイルタの等
価回路図

【図６】 本発明の変形例を示す図

【図７】 弾性表面波共振器によるフィルタの構成を示
す図

【図８】 モード間周波数差の傾向を探るため本発明者
等が行った実験結果を示す図

【図９】 従来の弾性表面波共振器フィルタの等価回路
図

【図１０】 図９の周波数特性及び振幅特性図

【図１１】 図９の周波数特性及び振幅特性図

【図１２】 ＩＤＴ対数を変化させたときの共振周波数
と反共振周波数との差を描いた図

【符号の説明】

１…水晶基板、２ａ、２ｂ…弾性表面波多重モードフィ
ルタ、３ａ、３ｂ…インターディジタル電極（ＩＤ
Ｔ）、４ａ、４ｂ、５ａ、５ｂ…反射器、６ａ、６ｂ…
弾性表面波共振器、７…共通電極、８…入力端、９…出
力端、１０…接続部分、１１ａ、１１ｂ、１１ｃ…イン
ダクタンス素子。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 機械振動を利用する２つのフィルタ素子
   を組合せて対称モードの共振周波数と反対称モードの共
   振周波数とのモード結合により所望の通過周波数帯域を
   得るように励振媒体上に形成された多重モードフィルタ
   を、複数段直列に接続した多段接続多重モードフィルタ
   において、 当該多段接続多重モードフィルタの入力端及び出力端並
   びに前記多重モードフィルタ間の接続部分に、それぞれ
   インダクタンス素子を並列に接続したことを特徴とする
   多段接続多重モードフィルタ。