JPS583307A - 弾性表面波多重モ−ドフィルタ - Google Patents

弾性表面波多重モ−ドフィルタ

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JPS583307A
JPS583307A JP10214481A JP10214481A JPS583307A JP S583307 A JPS583307 A JP S583307A JP 10214481 A JP10214481 A JP 10214481A JP 10214481 A JP10214481 A JP 10214481A JP S583307 A JPS583307 A JP S583307A
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filter
surface acoustic
acoustic wave
mode
resonators
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JP10214481A
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Yuzo Nakazawa
中沢 祐三
Kazuo Ono
和男 小野
Masaki Tanaka
田中 昌喜
Takao Morita
孝夫 森田
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Toyo Communication Equipment Co Ltd
Original Assignee
Toyo Communication Equipment Co Ltd
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    • H03HIMPEDANCE NETWORKS, e.g. RESONANT CIRCUITS; RESONATORS
    • H03H9/00Networks comprising electromechanical or electro-acoustic devices; Electromechanical resonators
    • H03H9/46Filters
    • H03H9/64Filters using surface acoustic waves
    • H03H9/6423Means for obtaining a particular transfer characteristic
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    • H03H9/644Coupled resonator filters having two acoustic tracks
    • H03H9/6456Coupled resonator filters having two acoustic tracks being electrically coupled
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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は弾性表面波共振器によって構成し狭帯域通過特
性を呈する多重モードフィルタKllする。
従来から56MHz以上の帯域通過フィルタとしては一
般にLCフィルタ、スパイラル・フィルタ、弾性表面波
フィルタ或は帯域通過フィルタの基本回路中の共振素子
又はインダクタンスを弾性表面波共振器に置換したフィ
ルタ勢が使用されている。
しかしながら上述の帯域通過フィルタは以下O如き欠点
を有する。
即ち、LCフィルタは使用する周波数に制限があり、ス
パイラル・フィルタは大型となるのみならず両者共極め
てQが低いものである。
一方弾性表面波フィルタは比較的広帯域のフィルタであ
るが。、−大損失が大きい上温度特性及び安定度に問題
があるのみならずTTI(三重反射エコー)によって通
過帯域にリップル音生じやすいという欠点がある。
又、1域通過フィルタ基本回路中の共振素子を弾性表面
波共振器で置換し光フィルタ社比較的低周波数帯(10
0MHg以下)で使用されている。これは所■水晶フィ
ルタと同種のもので6・るがこれ’t100MHg以上
の高周波帯域で使用する場合には、必要とされる高いQ
と狭帯域フィルタ特性を充分高い安定度にて実現するこ
とが極めて困難であった。   ゛ 本発明は上記の如★従来の帯域通過フィルタの欠点を除
去する為になされたものであって、従来のフィルタの如
く個別部品の組み合わせによることなく、弾性表面波共
振器による同一周波数の振動が複数個隣接した場合それ
らの間の前書的結合の結果発生する書数種の振動キード
から発生する異りた共振゛周波数を利用してフィルタを
構成することによって高周波帯域に於いて為いQと高い
安定度を有する帯域通過フィルタt−1供することf@
的とする。
以下本発明の基礎となった実験結果及び理論1−*脱す
ると共に、本発明全各種の実施例の図面に基づいて詳細
に説明する。
第1園社本発明に於いて使用する多対のインタディジタ
ル・トランスジューサ電極を有する弾性表面波共振器の
一般的構成を示すものであ侮る。
即ち、水晶等の圧電基板lの主表面上に適当なライン・
スペース比(通常Fi1:1であることが多い)を以り
て配列する電極指2,2.及・び2#、2J、・・・・
・・・・・を夫々バスバー電極3,4から交互に延長交
叉する如く配置し、前記バスバー電極3,4に夫々端子
5,6t−設けて二端子共振器を形成する。
伝搬速度がVex波長がλである場合、共揚馬波数をf
、とすれば f、=v、/λ=v、/4d で決定される。
又電極対数をNとすると、電極長りは 、[、=ljJ・λ で与えられ、共振器のサイズを決定するものである。
更Kwは前記電極2,2.・・・・・・及び2’ 、2
’、・・・・・・の交叉長であって、波の励起されるt
14f決定すると共に共振器のインピーダンス・レベル
に影養會与えるものである。
上述の如く多対のインタディジタル・トランスジューサ
電極を有する弾性表面波共振器は急峻なインピーダンス
特性管示すが、これは表面波が前記電極2,2.・・・
・・・及び2#、2′、*+・・・・の関で周期的摂動
による反射を生起し、この為表面波の振動エネルギが前
記電極2,2.・・・・・・2#、2−1・・、・・・
の間に閉じ込められることによシ高hQ管°有する共振
S管形成するからである。
第2図はその振動o1111を模式的に説明するもので
振動エネルギが前記電極の中央部に集中していることを
示す実験結果である。
即ち、8Tカツトの水1基板1を用いるならd1X軸方
向に表面波を伝搬する弾性表面波共振器とな9、該共振
器に於いては、X軸及び2軸方向の振動変位を夫々Ux
及びU、とすると、両方向共変位の最大値は中央部にあ
り、夫々の両端近傍に於いて指数関数的に急減衰するの
で電極周辺部は殆んど振動せず、前述のエネルて説明す
る。
従来、弾性表面波共振器について高いQを得る為圧電基
板中央に対数Nの小なる電極管設け、その両側に比較的
多対の反射器を配して振動エネルギをこの反射器内に閉
じ込めようとする試みがなされている。
しかしながら斯る形式の共振器轢反射器と励振電極とo
tw的結合によって共振特性の乱れや複雑な反射を伴い
、副共振も多いという欠点があった。
一方、本発明に於いて使用する最も単純な形式の多対イ
ンタディジタル@)ランスジ為−サ電極のみからなる共
振器は―」共振も少なくインピーダンス・レベル4低く
しうる勢の利点はあるが高いQを得んとすれば極めて多
数の電極対数管要しそのサイズが長大になるという欠点
がめるとされていた。
然るに本願発明者等は既に特願昭56−56710に於
いて比較的少数の電極対数Nによって高いQ含有する共
振器が得られること1明らかにした。
本発明は上記の共振器全利用してフィルタを構成するも
のであるが、この共振器のtwist以下に列挙する。
(a)  電極材質Fihノの場合最良の特性を示し、
m1ll共振が少なく高いQt−得られる。
(b)  電極膜厚Hの値を大きく(例えばST力。
ト水晶基板の場合であれば嵌面波々長λの1.5慢以上
)設定すればする1!Qの最大値も大きくなるが、副共
振レベルも上昇する。
(cl  共振器のQは電極対数Nが100〜4000
間ではへの2〜3乗に比例し、400〜800でNに比
例し、更Kl、000を越えると漸増する。
(d)  等価インダクタンスはNの逆数の2乗には譬
比例し等価容量社Nが800前后で最小、その両側では
漸増する。−1副共振レベルはNが400までは小さく
900を越えると悪化する。
(el  交叉長Wでは変化が緩慢ではあるがQの最大
′値を示す値が存在し、Wが大となるに従って等価イン
ダクタンスは小さくなりはソWの1.5乗に反比例する
げ)共振周波数f、は前述の如くインタディジタル・ト
ランスジューサ電極間隔2dKよって決るが、電極膜厚
Hi大きくするとその質量効果によって低下する。又、
対数Nl減少して本若干低下する。
本願発明者等が既に手中のものとしている弾性表面波共
振器は上記の如き%徴を有する屯のでめる〆ところから
、これ全率−の圧電基板上で青畳的に結合することによ
って極めて小型な高周波帯域での使用に好適な帯線通過
フィルタが得られ、しかもその通過帯域幅は電極対数N
、電極膜厚H%を変化することによりかなりの自由度を
以って制御しうることが予御jされる。
上記の予111に基づいて本願発明者等の行った基本実
験の結果を詳述し、これ全応用1尭展させ喪実施例も併
せて説明する。
It!3図は実験に使用したフィルタO構造を示す図で
あって圧電基1i11Kt!温度特性等を考慮して8T
カツトの水晶′管用いる。骸水晶基板11の主表面はボ
リッシ1研l#を施した上、該表面上のX軸方向(11
面波の伝播方向)に沿って2個の多対インタディジタル
・トランスジ。
−サ電極12及び13を直列に隣接配置し2個の共振器
とする。
前記両電極12及び13の電極対数NtS及びNllは
必ずしも同数である必要はないが実験の単純化の為同数
とし、両電極の間隙fB両共振器によって励起される表
面波の位相t−あわせるべく表面波の波長λに対しくn
+”)λ、(n=0,1,2.・・・・・・)とする。
閘、前記間11fFijll!3図(b)に拡大図示す
る如く両共asst*成する端部電極指の中心間距離に
て表すものとする。
第3図の如く構成する共振器を”共振させた場合二つの
振動モードが発生するがその一つは第4図(atの如く
前記両電極12及び13が一個の共振器として励振され
、X軸上で前記両電極12及び13の間隙に関して対称
となる振動モートチする。これ【対称モード或は5−s
c−ドと名付け、該振動モードの共振周波数?/、とす
る。
他の振動モードは第4図(bl K示す如く前記両電極
12及び130間隙に関して反対称となる振動モードで
あって、これ1反対称モード或は1−モードと名付け、
該振動モードの共振周波数f、とする。
この反対称モードの振動hiたかも2つの共振器が各々
独立に存在し、かつ両者が逆位相の関係でX軸方向に2
つの波が乗っている如き状態となる。
上記2つの振動モードを考慮して前記電極12を入力側
、同じく13會出力資の共振器として前記両電極12及
び13に夫々入力端子14、出力端子1st−設けて四
端子構成とすればその等価回路は第55illの如く書
くことができる。
第5図に於いてり、、C,Fi夫々対称モード(8−モ
ード)の振動によって生ずる共振周波数f、に対する等
価インダクタンス及び等価容量、L、、C,は夫々反対
称モード(A−モード)の振動によって生ずる共振周波
数f、に対する等価インダクタンス及び等価容量でTo
シ、C0は前記両端子14及び15から見た制動容量で
ある。又本回路中に変成器16が挿入されこれが1ニー
lとなっているのは反対称モードの表面波の位相が反転
していることを意味しており、二つの共振器が表面波の
伝播方向く直列に結合する構造に於いては対称モードで
は表面波は同相、反対称モードでは逆相となシ、夫々の
モードの共振周波数f、とf、との関係はf、>f、と
なることが判り九。
そこで前記両モードの共振周波数f、及びf。
を利用してフィルタを構成するならば、前記両共振周波
数f、とf、との差はフィルタの帯域幅のはソ半輻値を
与えることになるはずである。
以上、2個の弾性表面波共振器をその表面波伝搬方向に
直列に配し貴書的に結合した場合の振動の一般的挙動に
ついて説明したが、以下2個の共振器管構成する電極の
インタディジタル・トランスジ^−サ電極対数N1電極
間隙を等を変化させたときに発生する現象につき実験し
極膜厚H1−表面波々長の1.511 K設電した場合
対称モード及び反対称モードの共振周波数差l(Δ=f
、−f、)と前記両電極12.13の電極対数の総和N
との関係を示すものでlは#1ソNの1.5乗に逆比例
することが判明した。
即ち、電極対数Nを増加すればノが小となるから狭帯域
のフィルタを又Nt減少すれば広帯域のフィルタを作る
ことが可能となるものである。
更に第7図は総電極対数Nを400対とし電極膜厚H管
表面波身長の1.5−とした場合前記両弁振器電極12
.13の間IFとノとの関係を示すもので、関lItを
両共振器の全長りの比をとり、t/L1に用いて、et
大とすると、即ち前記両電極12,13の音響的結合管
弱くするとΔも小となりフィルタは狭帯域化し、逆にt
/Lを小とし結合1強めると広帯域フィルタとなること
が判る。
一方、1pc8図は電極膜厚HとΔとの関係管示したも
ので、懺面波々長λで規準化したH/λることが判った
。これは電極膜厚Hを大きくすることにより振動エネル
ギO閉じ込め効果が増大するという本願発明者等の従来
の知見とも一致するが、電極膜厚Hのlに対する影響は
意外に小さいもので前記間11fKよる影響とは比べも
のにならぬことが判明した。
歯、以上の実験は前記f m C=f # ) 196
MHzにて行った屯のである。
斯くして2個の弾性表面波共振器を表面波の伝搬方向に
ついて青畳的に結合することによってフィルタtIl成
しうろこと、そして該フィルタの等価回路はラチス回路
又はヤーマン回路或扛その変形としてラダー回路で表現
できることが立証され、しかもその帯域幅を自由に設計
しうることが1j1−らかとなった。
冑、斯る形式のフィルタの特性は第9内に示す如きもの
であり、入出力端に所要のインピーダンスで終端した場
合の挿入損失で表すと、中心周波数f、は前記f、に低
域−カットオフ周波数f−1は、f、に、又高域側カッ
トオフ周波数f+1はf、からΔ<=1.−t、>  
だけ高い周波数に相応し、前記カットオフ周波数f−1
+f+>の点で挿入損失は約6dBである。
通過帯域幅8社 B=2Cfm−f*)=21 でToゐことは前述のとうりであ′るがここで第5図の
等価回路に示さ、、れ九制動容量C0並びに最大帯域幅
13maxに対する制約条件に/)き簡単に言及する。
前述の如く対称及び反対称両モードの共振周波数差Δは
かなり大幅な自由度を以って任意に選ぶことができるが
、その最大値、換言すれに最大帯域幅BmaXは前記C
0によって制限をうける。
即ち、前記両共振器の入出力端子14.15にインダク
タンスを挿入しないものとすればその帯域幅Bは である。ここで容量比rFi圧電基板の材質及びカット
、電極設計等によシー義的に決定してしまうのでrが与
えられればB m a Xも決まってしまうことになる
従って帯域11Bmaxの決定しているフィルタに対し
更にわずかな設計変更で帯域幅Bl変えたい場合、例え
ば更に狭帯域にしたい場合Ka圧電基板上の適所にイン
タディジタル電極型の容量tパター/で作成することに
より個別部品を使用せず容易に目的を達することが可能
となるtのである。
次に実際にフィルタを構成する場合の二共振器の電気的
接続法及び振動の位相関係について説明する。
本発明のフィルタに於ては、表面波の伝搬方向に直列に
隣接し青畳的に結合した二つの共振器が両者同相の状態
と逆相の状態との二つの状1Iltとることができる。
電極12.13のパスパー電極の一方21及び22會電
気的に接続して接地し他のバスパー電極23及び24に
夫々入力及び出力端子を設ければ同相の状態となりその
等価回路は同図(b)にて表わすことができる。又その
フィルタ特性は同@(C)の如くなる。狗、図上C9扛
浮遊容量!あってこれが入ることにより同図(C)のフ
ィルタ特性は実92Bから点l526の如(劣化し実効
減衰量は低下するが位相特性は向上する。
他方、第11図(a)の如く両共振器電極12,130
パスバー電極の接続を変えてバスバー電極21と24と
t接続すると逆相状態とな夛、この勢価回路は同1−で
表わされる。ここで更に入出力両端子間に浮遊容量C9
或#i特定O容量を挿入すればフィルタ特性は同図00
如くな夛減衰極27及び28が周波数f−,及びfly
の位置に発生する。前記減衰極27及び28は前記C2
が大となれば中心周波数f0に近接し、カットオフ特性
は急峻となるが保証減衰量は小さくなる。
このような減衰極を有する有極特性のフィルタは急峻な
減衰?要求される場合には極めて有効である。
冑、逆相の状mt得るには必ずしも第11図の如き電気
的IIaによる必!!はなく、前記両電極間の間@ft
nλ(但し、n = 1 、2 、−)とするととによ
りても可能である。
以上本発明のフィルタ6基本的構成について説明したが
、この基本的構成を基礎にしてj!に以下の如く′変形
発展させることが考えられる。
即ち、第1211に示す如く本発明の基本的構造たる二
つの共振器の組を一つのセクタ1ンとして、これを多数
電気的に縦続接続することによって大きな保証減衰量を
得ることができる。
これを実行する方法としては前記基本構造九する1セク
シ曹ンを多数製作し外部で電気的EII続してもよいが
、一枚の基板31上に所要数のセクシ冒ン32.33.
・・・・・・を適宜配置するよう製作すると共に各セフ
シロン間の電気的接続′もパターン34で同時に作成す
るのが最も効率的であろう。
斯くすることによって高次の減衰階級を有するフィルタ
tIIIII成することができる。
又、高次の減衰階級を有するフィルタの他の構成法とし
て第13図(1)の如く圧電基板41の表面波伝搬方向
に直列に多数の共振器電極42.43.・・・・・・を
並ぺ各々の閣で音響的結合を生ぜしめ複数の振動モード
(本図の場合は4七−ド)の共at作りこれを利用して
もよい。
複数の振動モードとは第13図(blの様KIl数の対
称及び複数の屓対称モードの波が乗っているものである
斯くの如き多重モード・フィルタを多段縦続接続すれば
前記第1211に示した偶数次のみならず奇数次の減衰
階級を有するフィルタ管構成することも可能である。
以上説明しえ如き多セクシ冒ン・フィルタの設計は一般
に動作パラメータ法を適用し1、無極チェビシェフ41
性より等価変換を行い各共振器の等価定数に置換してゆ
く方法を用いる@又多セクタ曹ンのフィルタに対し減衰
極管挿入したい場合には任意のセフシロン間に容量tI
I続すればよく、その為KU前述の如くインタディジタ
ル電極状の容量を基板上にパターンで作成できるから個
別部品の接続尋は不要である。
岡、圧電基板の材料として社温度特性、I!都変化の点
で優れ、バラツキの少ない8Tカツト水晶基板が現状で
は最適であろう。本発明のフィルタは本質的に高−波帯
域で使用する狭帯域フィルタである為、長期的安定性及
び環境条件に対する高い安定性が要求されるからである
しかしながら本発明の原理はすべての圧電材料、又はガ
ラス等に圧電物質を付着し九基板勢にも適用可能である
ことは言うまでもない。
又、以上の説明に於いては弾性表面波を用いることにつ
いてのみ説明してきたが必ずしもこれに限定する必要は
なく、例えば基板表面直下を伝搬するすベシ波、ラブ波
、88BW、8H波或はブルースタインーグーリエー清
水波尋に関しても全く同様に適用可能である。
即ち、インタディジタル・トランスジューサ電極を有す
る共龜器は上記6波tも励起することが既に立証されて
おC1tk下の振動エネルギを閉じ込めることができる
と共に多重モードの振動を発生する条件が存在するから
である。
本発明は以上説明した如く構成するので100〜数10
0MHzの高周波帯に於いて使用するに適した高いQと
高い安定度を有するフィルタを極めて小型かつ安価に提
供することができ、しかもその通過帯域幅はかなシの自
由度を以って設計することが可能である為、例えば高周
波化している無線通信機等の中間r波設をそれKll連
する局部発振器等を含めて除去しうるものであり、各種
電子機器の小皺化に著しい効果を発揮するものである。
【図面の簡単な説明】
第11社本発明の基礎となる多対インタディジタル・ト
ランスジ、−サ電極を有する弾性表面波共振器の構成を
示す図、第2図は弾性表面波共振器の振動エネルギの分
布を示す図、第3図(mlは本発明のフィルタの基本構
成を示す図、第3図(b)は隣接する共振器の間1if
t一定義する拡大図、第4図は本発明のフィルタの二つ
の振動モード管示す図で(al)はS−モード、(b)
は1−モードを示す図、第SSOは本発明のフィルタの
基本構成の等価回路を示す図、第6図は8−モードと5
1−4−ドの二つの周波数差lと電極゛対数Nとの関係
を示す実験データ、第780 (ml 、 (b)は両
共振器の間隙fとΔとの関係′t−8図は電極膜厚Hと
4との関係を示す実験データ、第98iIIはフィルタ
の特性とカットオフ周波数との関係會示す一般的説明図
、第10図(a)は表面波伝搬位相を同相とした場合の
フィルタの図、(blFiその1111価回路を示す図
、(C)はそのフィルタ特性図、第11図(1)は両共
振器、の表面波伝搬位相を逆相とした場合の図、(b)
はその等価回路を示す図、(C)はそのフィルタ特性1
示す図、第12口拡本発明のフィルタの最も基本的な二
重モード・フィルタを縦続接続したフィルタのIlk成
を示す実施例、第13図(a)は本発明の基本となる弾
性表面波共振器管多数接続して成る多重モード1フイル
タの実施例、(b)はその共振モードを示す図である。 1.11,31.41は圧電基板、211多対。 インタディジタル・トランスジ島−サ電極、12.13
,32,33,42.43,44゜45社弾性表面波共
振器電極、27.28は減衰極、fは隣接する共振器間
隙、C9は浮遊容量又はフィルタに減衰極1与える適i
t容量を示す。 特許出願人 東洋通信機株式会社 J /  層

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 (1)  多対のインタディジタル・トランスジ、−サ
    電極を備え同一の共振周波数を有する2個の弾性表面波
    共振器の電極を圧電基板上で弾性表面波の伝搬方向に直
    列に配置して音響的結合を生ぜしむることにより対称モ
    ード及び反対称モードの二つの振動モードを発生させ、
    前記両モードの振動の周#l数差管通過帯域幅のfig
    半一に構成したことt41像とする弾性表面波二重モー
    ドフィルタ。 (2)多対のインタディジタル・トランスジューナ電極
    を備え同一の共振周波数を有する2個の弾性表面波共振
    器の電極を圧電基板上で弾性表面波の伝搬方向に直列に
    配置して青畳的結合を生ぜしむることKより対称モード
    及び反対称モードの二つの振動モードを発生させ、前記
    両モードの振動の周波数差音通過帯域幅のはy半輪に構
    臀し九弾性表面波二重モードフィルタtII数個縦続接
    続するしとによって保証減衰量を確保することt−特命
    とする多段縦続接続二重モードフィルタ。 (31多対のインターディジタル・トランスジ。 方向に直列に複数個隣接配置することによって各共振器
    相互の関に音響的結合を生ぜしめ、その結果発生する複
    数個の振動モードの共振周波数を利用してフィルタを構
    成したことt轡像とする弾性lI!画波多波多重モード
    フィルタ4)  多対のインターディジタル・トランス
    ジ。 方向に直列KII数個II接配置することによって各共
    振器相互の間Kfe的結合を生せしめ、その結果発生す
    る複数個の振動モードの共振周波数を利用してフィルタ
    を構成した弾性表面波多重モードフィルタを多段縦続接
    続することKよって保証減衰量全確保することを特徴と
    する弾性表面波多段多重モードフィルタ。 (5)  フィルタの構成単位喪る弾性表面波共振器ノ
    インタディジタル・トランスジューサ電極ノミ極対数を
    変化することによってフィルタの通過帯域Sを制御する
    こと1*像とする特許請求の範!I11 、2 、3又
    ti4記載のフィルタ。 (6174ルタの構成単位たる弾性表面波共振器相互O
    11*lIamtf化させることによって結合11え、
    以りてフィルタの通過帯域S音制御することt4I徽と
    する特許請求の範囲1.2.3又は4記載のフィルタ。 (ガ 前記1数モードのフィルタt−構成する各共振器
    の弾性舅画II@書位相を相互に逆相としかつ相互に弾
    性表m淑伝搬位相が逆相となっている共振器の入力端子
    と出力端子との間に適当な容量を挿入することによりて
    減衰極を有するフィルタ特性を生ぜしむることt−特徴
    とする特許請求の範囲1,2.3又は4記載のフィルタ
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