JPH0856136A

JPH0856136A - 弾性表面波フィルタ

Info

Publication number: JPH0856136A
Application number: JP21155395A
Authority: JP
Inventors: Mitsutaka Hikita; 光孝疋田; Junji Sumioka; 淳司住岡; Yoshikatsu Ishida; 喜勝石田
Original assignee: Hitachi Denshi KK; Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Denshi KK; Hitachi Ltd
Priority date: 1995-08-21
Filing date: 1995-08-21
Publication date: 1996-02-27

Abstract

(57)【要約】（修正有）【目的】耐電力性のすぐれた弾性表面波フィルタを実現
する。【構成】複数個の圧電性基板の各々の圧電性基板８上に
３個以上の共通電極９−１〜９−６を向き合って一方向
に配置し、共通電極に接続された複数対の電極指を互い
に交互に間挿して各々の圧電性基板上に配置し、複数個
の圧電性基板間は共通電極間を電気的に直列に接続し、
相隣る２つの共通電極間で構成される複数個の弾性表面
波共振器の入出力端子１，２に外部負荷との整合回路３
〜６を設けると共に、弾性表面波共振器を構成する共通
電極および電極指と共通アース間の圧電性基板による容
量を利用してフィルタを構成する。また、複数個の弾性
表面波共振器の中の少なくとも一部の弾性表面波共振器
は他の弾性表面波共振器と共振周波数が異ならせる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は弾性表面波フィルタ、更
に詳しく言えば圧電性基板上にインタディジタルな電極
指を配して構成されたトランスデューサより成る弾性表
面波共振器を複数個組合せてなるバンドパス、あるいは
バンドリジェクションフィルタの構成に関するものであ
る。

【０００２】

【従来の技術】弾性表面波フィルタは上述の如く圧電性
基板上に簡単な形状の薄い導電性導体を配したトランス
デューサを形成するものであるため、極めて小型でかつ
安定な特性のフィルタを実現できる利点を持っている。

【０００３】この種の弾性表面波フィルタに要求される
主な特性は低損失でかつ、急峻な周波数特性すなわちパ
ス（通過領域）とリジェクション（阻止領域）の境で減
衰特性が急激に変化できる特性を持つことである。又、
最近、特に注目されていることは耐電力特性すなわち、
大電力の信号に対して所定のフィルタとして動作するこ
とが重要となっている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】従来種々の弾性表面波
フィルタが知られているが、耐電力性についてはあまり
配慮がなされていない。耐電力性を向上するために、電
極材料を改良するものがあるが、それでも、現在開発さ
れているものは０.５ワット以下のものしか使用されて
いない。

【０００５】したがって、本発明の主な目的は耐電力性
のすぐれた弾性表面波フィルタを実現すること、すなわ
ち、数ワット以上の電力の信号にも使用できる弾性表面
波フィルタを実現することである。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明は、上記目的を達
成するため、複数個の圧電性基板の各々の圧電性基板上
に３個以上の共通電極を向き合って一方向に配置し、共
通電極に接続された複数対の電極指を互いに交互に間挿
して各々の圧電性基板上に配置し、複数個の圧電性基板
間は共通電極間を電気的に直列に接続し、相隣る２つの
共通電極間で構成される複数個の弾性表面波共振器の入
出力端子に外部負荷との整合回路を設けると共に、弾性
表面波共振器を構成する共通電極および電極指と共通ア
ース間の圧電性基板による容量を利用してフィルタを構
成したものである。ここで、複数個の弾性表面波共振器
の中の少なくとも一部の弾性表面波共振器は他の弾性表
面波共振器と共振周波数が異なっている。

【０００７】

【作用】上記構成によれば以下の詳細な説明で明らかと
なるように、入力電力の一部（高周波成分）は音響エネ
ルギーに変換されることなく、直接出力側に伝達される
ため、電極材料、あるいは基板にかかる機械的応力が削
減され、大電力の信号に耐える（例えば２〜４watt）弾
性表面波フィルタを実現できる。すなわち、大電力の信
号に耐える（例えば２〜４watt）弾性表面波フィルタを
実現できることの第１理由は、通常の圧電結晶は良質な
誘電体であるので、大電力信号により１開口弾性表面波
共振器の電極導体とアースの間に数wattの入射電力によ
り非常に高い電圧が誘起されても、１開口弾性表面波共
振器の電極導体とアースの間の圧電基板容量が破壊する
ことはない点にある。このことを、圧電基板容量の代り
に１開口弾性表面波共振器を用いた特公昭58−1850号公
報に記載された弾性表面波フィルタとの比較で説明す
る。特公昭58−1850号公報に記載の１開口弾性表面波フ
ィルタは、直列接続した２ヶの１開口弾性表面波共振器
の接続点とアースとの間に、圧電基板容量ではなく１開
口弾性表面波共振器を導入しＴ型回路を形成することで
必要な周波数特性を実現している。しかし、本発明者が
実験により検討したところ、この１開口弾性表面波共振
器に、フィルタの通過帯域の周波数成分を持つエネルギ
の一部が流れ込み、アースを通って入力側に戻ってくる
ため、大電力が入射するとこの１開口弾性表面波共振器
が破壊される現象が生じることが分った。この破壊は１
開口弾性表面波共振器の電極指間の電極材料のマイグレ
ーションによるものである。また、第２の理由は、本発
明は１開口弾性表面波共振器に多数対の電極指を用いる
ため電極導体の面積が大きい。その結果、フィルタの入
射電力が広い範囲に渡って分散されて電力損失が本質的
に少なく、すなわち１開口弾性表面波共振器部での熱放
散性が良く、電極材料あるいは基板に発生する機械的応
力が低減されて電極指間の電極材料のマイグレーション
の発生による１開口弾性表面波共振器の破壊に強い点に
ある。

【０００８】また、本発明の圧電基板容量は非常に重要
な意味をもつ。すなわち、圧電基板容量はフィルタの周
波数特性を合成する構成要素の一つとして意図的に用い
ているのであり、所謂寄生容量とはその重要性が全く異
なる。さらに、本発明では、多数対電極指より成る１開
口弾性表面波共振器を用いているので電極指部分の面積
が広く、比較的容易にアースに対する必要な容量を確保
出来る。

【０００９】

【実施例】以下、実施例によって本発明を詳細に説明す
る。

【００１０】図１は本発明による弾性表面波フィルタの
一実施例の構成を示す図である。

【００１１】同図において、１は信号入力端子，２はフ
ィルタの出力端子である。圧電性基板８上には平行に共
通電極９−１…９−６が配置され、各共通電極９には互
に交互に間挿された電極指が接続されている。共通電極
９−１は入力端子を構成し信号入力端子１との間にイン
ダクタンス３及び４からなる入力負荷との整合回路が形
成され、又共通電極９−６は出力端子を形成し、フィル
タ出力端子２との間に、出力負荷との整合回路を構成す
るインダクタンス５及び６が設けられている。上記構成
において、相隣る２つの共通電極間は図２に示すよう
な、多数対トランスデューサによる１開口弾性表面波共
振器を構成する。ここで、１開口弾性表面波共振器（on
e port SAW resonator）とは、アイイーイーイー
ウルトラソニックスシンポジウムプロシーディン
グ 1978年，第573−578頁（IEEEUltrasonics Symp. 19
78, pp.573-578）に記載されているように、弾性表面波
の励振又は受信に係わるトランスデューサが１ヶである
弾性表面波共振器のことである。一般に、弾性表面波共
振器はトランスデューサの両側に弾性表面波の反射器を
導入する場合が多いが、図２に示すようにトランスデュ
ーサの電極指の対数が非常に多い場合は、両側に反射器
がなくても、トランスデューサ自身の電極指による内部
反射で振動エネルギーが閉じ込められるので共振器とな
る。図１のフィルタは１開口弾性表面波共振器が共通電
極９−２，…，９−５で電気的に直列接続されている。
また、１開口弾性表面波共振器を構成するトランスデュ
ーサ内で励振された弾性表面波はトランスデューサの端
部に達するまでに他の電極指との間で多重反射を繰り返
しながらトランスデューサの端部に達してトランスデュ
ーサの外部へ漏れる。しかし、この漏れ弾性表面波のエ
ネルギは、トランスデューサ内部で多重反射を繰り返し
ている弾性表面波の全エネルギに比べると非常に小さ
い。しかも、漏れの方向は１開口弾性表面波共振器の電
気的直列接続の方向と直交している。したがって、各１
開口弾性表面波共振器の間で弾性表面波が相互作用する
ことはない。以下、簡単のため、フィルタの基板構成要
素である１開口弾性表面波共振器を図２の構成で説明す
る。

【００１２】図３（ａ）は上記図２の共振器の電気的等
価回路を示す。一般に弾性表面波共振器は電極間の静電
容量Coと並列に、共振によるインダクタンスＬ₁と容量
Ｃ₁の直列回路を接続した形で表わされる。このような
共振器のインピーダンス特性は図３（ｂ）に示すように
共振周波数frでインピーダンスがほぼ０、反共振周波数
faでほぼ無限大になる。

【００１３】従って、図１に示す弾性表面波フィルタは
図４の等価回路で表わすことができる。

【００１４】入出力端子１，２に接続された並列インダ
クタンス３，６および直列インダクタンス４，５は図１
と同様外部の整合回路を示す。また、弾性表面波共振器
には図３（ａ）の等価回路を用いた。

【００１５】図中点線で示した容量は、各容量の電極指
および共振器間を結び付ける電極、または、入出力端子
電極の共通アースに対する容量を示す。ここで、共通ア
ースとは、図１の圧電基板８を接着剤あるいは半田付け
等でパッケージあるいは回路基盤に固定する場合の、パ
ッケージあるいは回路基板のアース面のことである。こ
れ等の容量は図４では点線で示したが、共振器間を結び
付ける電極、または、ボンディングパッド等の入出力端
子電極の面積を増減することによって任意に設定するこ
とができる。また、圧電基板８の板厚を変化させること
によっても任意に設定可能である。さらに、これ等の容
量は必要に応じて外部に設けたチップキャパシタ等によ
って形成しても良い。

【００１６】図１の構成では、図４の等価回路から分か
るように、各共振器の共振周波数より低い周波数では、
各共振器のインピーダンスはほぼ電極間の容量（36，37
…39）のみとなるため図５（ａ）のように表わされる。
また、各共振器の共振周波数の近傍では、各共振器は共
振によるインダクタンスと容量の直列接続（51，52…5
4）に近い形で図５（ｂ）のように表わされる。各共振
器の反共振周波数の近傍では、各共振器は電極間の容量
と共振によるインダクタンスの並列接続（65，66…68）
に近い形で図５（ｃ）のように表わされる。反共振周波
数より十分高い周波数では、共振器は再び電極間の容量
のみとなり図５（ａ）のように表わされる。なお、40，
41…45，55，56…60，69，70…74はトランスデューサの
電極導体と共通のアースとの間の等価容量を示す。

【００１７】次に、図１の構成がバンドパスフィルタあ
るいはバンドリジェクションフィルタとなることを説明
する。フィルタとしての通過帯域は共振周波数あるいは
共振周波数より低い周波数に設定した場合に関して説明
する。

【００１８】一般に、このような構成では、フィルタの
通過帯域は共振周波数の近傍に設定するのが、好まし
い。この帯域では、図５（ａ），（ｂ）は簡略化され、
近似的に図５（ｄ）のように表わされる。すなわち、弾
性表面波共振器は、単なる共通アースに対する容量のみ
で表わすことが出来るため、外部回路によって常に入出
力負荷と整合が可能である。

【００１９】通過帯域より低い周波数では、フィルタの
等価回路は図５（ａ）のように圧電基板容量と１開口弾
性表面波共振器の電極間の静電容量Coで表される。ここ
で、弾性表面波共振器の等価回路が電極間の静電気容量
Coで表されるのは、図３（ａ）から明らかである。した
がって、通過帯域により低い周波数帯域では圧電基板容
量および弾性表面波共振器の電極間静電容量Coの両容量
ともインピーダンスが大きいため、フィルタは減衰域と
なる。通常帯域より高い周波数では、まず反共振周波数
の近傍では図５（ｃ）のように表わされ、弾性表面波共
振器は反共振によってインピーダンスがほぼ無限大とな
るため、フィルタは減衰域となる。さらには反共振周波
数より高い周波数帯域では圧電基板容量の影響が相対的
に大きくなるため、フィルタの等価回路は図５（ｄ）の
ように圧電基板容量のみで表され、この場合もフィルタ
は減衰域となる。

【００２０】以上の構成は、各共振器の共振周波数の近
傍を通過帯域、反共振周波数の近傍を減衰域とするた
め、通過帯域の高域側に非常に急峻な立上り特性が要求
されるバンドパスフィルタ、あるいはバンドリジェクシ
ョンフィルタに好適な構成である。

【００２１】図６に、本構成によるフィルタの周波数特
性例を示す。弾性表面波共振器は、対数が400の多数対
トランスデューサを用いた。圧電基板は36°回転Ｙカッ
トＸ伝搬LiTaO₃を用い、基板表面に20ヶの弾性表面波共
振器と共振器間を直列接続する電極パターンおよびボデ
ィングパッドを形成した。基板厚は、共通アースに対す
る電極指および、接続電極部、ボディングパッド容量が
所望の値となるように0.35mmとした。

【００２２】周波数特性は、825〜845MHzを通過域、870
〜890MHzを減衰域とする自動車電話の送信フィルタを想
定した。高域側に急峻な立上り特性を得ると同時に、減
衰域の幅を広く取るため、以下の設計思想に基づいて設
計した。図１の９−１，９−２，…，９−６に相当する
共通電極を圧電基板上に21ヶ形成して20ヶの１開口弾性
表面波共振器と成した。さらに、図３（ｂ）に示される
１開口弾性表面波共振器のインピーダンス特性を、フィ
ルタの入力側から順に、隣合う２ヶの１開口弾性表面波
共振器ずつ同じくして、10グループの共振器と成した。
各グループの共振器間は互に、共振周波数frおよび反共
振周波数faを若干ずらし、これらがフィルタの入力側か
ら出力側へ向かって徐々に高くなるように構成した。ま
た、各１開口弾性表面波共振器の電極導体と共通アース
の間にはかなり大きな値の圧電基板容量が必要であり、
この容量は圧電基板の厚さを0.35mmと比較的薄くするこ
とにより確保した。これ等の設計により、高域側の急峻
の立ち上り特性と広帯域な減衰域を実現している。外部
整合回路は、図１に示すのと同様、入出力各々直列と並
列のインダクタンスを用いた。

【００２３】図６に示すように通過帯域（825〜845MH
z）の損失0.5dB以下で、減衰域（870〜890MHz）の損失3
0dB以上の特性が得られた。また、立上り特性は非常に
急峻で従来の弾性表面波フィルタでは実現が困難な特性
を実現している。また、本フィルタは、最近フィルタの
良さを表わすパラメータの一つとなってきたハンドリン
グパワー（通過電力）が非常に大きい特徴がある。実験
結果では30dBm以上の通過電力にも十分耐えた。

【００２４】通過電力が非常に大きい理由としては、圧
電基板として用いた36°回転ＹカットＸ伝搬LiTaO₃はそ
のtanδが極めて小さい良質な誘電体結晶であり、弾性
表面波共振器の電極導体とアースの間で形成される圧電
基板容量に、数wattの入射電力により非常に高い印加電
圧が生じるにもかかわらず、圧電基板容量が破壊しない
ことがあげられる。

【００２５】一般に、弾性表面波フィルタは、大電力を
入射すると、弾性振動の非線形効果のため、入射周波数
f_Tに対して2f_T，3f_T等の高調波を発生する。本フィルタ
は、非線形効果も非常に小さく、30dBm（1Watt）以上の
通過電力に対して、2f_T，3f_T等の高調波は通常のスペク
トルアナライザでは観測出来なかった。

【００２６】以上、図１の構成では、通過帯域の高域側
に急峻な減衰域が存在する場合について説明した。通過
帯域の低減側に減衰域が存在する場合には、弾性表面波
共振器の反共振周波数を通過帯域の低域側に設定し、外
部回路によって、通過帯域で整合を取れば良い。計算機
シミュレーションの結果、通過帯域の損失は、高域側に
減衰域が存在する場合に比べ若干増加するが、同様なフ
ィルタが可能である。

【００２７】図７に、本発明による弾性表面波フィルタ
の他の実施例を示す。図７は、入出力間のアイソレーシ
ョンを良くするため、フィルタを複数個７−１，７−２
に分割し、間にアース電極13を挿入し、ワイヤボンディ
ング，クロスオーバパターン等で接続したものである。
また、図７は、フィルタを複数個のチップに分割し、同
一パッケージ内または別パッケージに実装後互いに接続
しても同様の効果が得られる。

【００２８】

【発明の効果】以上説明してきたように、本発明の特徴
は、複数個の電極指の対数が多い１開口弾性表面波共振
器を弾性表面波的には相互作用がないように配置し、電
気的には直列に接続し、入出力端子に外部負荷との整合
回路を設けたものである。また、１開口弾性表面波共振
器の電極導体と共通アースの間に圧電性基板による容量
を導入することにより、耐電力特性をワットオーダに向
上させかつ急峻な周波数特性の合成を容易にし、さら
に、共振器の共振周波数を部分的あるいは全て異ならし
めることによって、より複雑な周波数特性を合成するも
のである。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による弾性表面波フィルタの一実施例の
構成を示す図である。

【図２】図１及び図７のフィルタを構成する１開口弾性
表面波共振器の構成図である。

【図３】図２の１開口弾性表面波共振器の等価回路及び
特性を示す図である。

【図４】図１のフィルタの等価回路を示す図である。

【図５】周波数に対応して図４を書き変えた回路図であ
る。

【図６】本発明における一実施例の周波数特性図であ
る。

【図７】本発明による弾性表面波フィルタの一実施例の
構成を示す図である。

【符号の説明】

１，２…信号入力端子および出力端子、３，４，５，６
…インダクタンス、８…圧電性基板、９…共通電極、７
…１開口弾性表面波共振器用トランスデューサ、１０…
１開口弾性表面波共振器用トランスデューサの電極指間
誘電容量、１１…１開口弾性表面波共振器の等価共振イ
ンダクタンス、１２…１開口弾性表面波共振器の等価共
振キャパシタンス、１３…アース電極。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者石田喜勝茨城県勝田市大字稲田1410番地株式会社日立製作所東海工場内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】複数個の圧電性基板と、該複数個の圧電性
基板の各々の圧電性基板上に向き合って一方向に配置さ
れた３個以上の共通電極と、該共通電極に接続され、か
つ、互いに交互に間挿されて上記各々の圧電性基板上に
配置された複数対の電極指と、信号入力端子と、信号出
力端子と、外部負荷との第１および第２の整合回路と、
共通アースと、容量を有し、相隣る２つの上記共通電極
間は弾性表面波共振器を構成しており、複数個の該弾性
表面波共振器の中の一部の弾性表面波共振器と他の弾性
表面波共振器とは共振周波数が異なっており、上記複数
個の圧電性基板間は上記共通電極間を電気的に直列に接
続されており、上記第１の整合回路は上記直列接続され
た複数個の圧電性基板上の一方の端の上記共通電極と上
記信号入力端子の間に電気的に接続されており、上記第
２の整合回路は上記直列接続された複数個の圧電性基板
上の他方の端の上記共通電極と上記信号出力端子の間に
電気的に接続されており、上記容量は上記共通電極およ
び上記電極指と上記共通アースの間の上記圧電性基板に
よる容量であることを特徴とする弾性表面波フィルタ。
【請求項２】上記圧電基板は36°回転ＹカットＸ伝搬Li
TaO₃であることを特徴とする請求項１記載の弾性表面波
フィルタ。