JPWO2015198709A1 - ラダー型フィルタ - Google Patents

Abstract

大型化を招くことがなく、横モードリップルの影響を低減することができるラダー型フィルタを提供する。直列腕共振子と、複数の並列腕共振子とを有し、複数の並列腕共振子が、直列腕共振子とともに通過帯域を構成している第１の並列腕共振子と、第２の並列腕共振子とを有し、第２の並列腕共振子における、交差幅領域Ｃと、第１，第２のバスバー１１，１２との間のギャップ領域Ｄ１，Ｄ２の交差幅方向寸法が、第１の並列腕共振子におけるギャップ領域の交差幅方向寸法よりも大きくされており、かつ第２の並列腕共振子の共振周波数が、直列腕共振子の共振周波数以上の周波数域に位置している、ラダー型フィルタ１。

Description

本発明は、弾性波共振子からなる直列腕共振子及び並列腕共振子を有するラダー型フィルタに関する。

従来、携帯電話機のＲＦ段の帯域フィルタなどに、ラダー型フィルタが用いられている。ラダー型フィルタは、複数の直列腕共振子と、複数の並列腕共振子とを有する。直列腕共振子及び並列腕共振子としては、弾性波共振子が一般的に用いられている。

他方、下記の特許文献１には、いわゆるピストンモードを利用した弾性波共振子が開示されている。ＩＤＴ電極の先端に、太幅部などを設け、低音速領域が構成されている。交差幅領域において、ＩＤＴ電極の中央領域の両側に、上記低音速領域が設けられている。そして、交差幅領域とバスバーとの間が高音速領域であるギャップ領域であるとされている。

特開２０１１−１０１３５０号公報

ラダー型フィルタでは、直列腕共振子と並列腕共振子のインピーダンス特性を利用することにより通過帯域が形成されている。しかしながら、直列腕共振子と並列腕共振子の共振周波数及び反共振周波数を利用しただけでは、充分な帯域外減衰特性を得ることは困難であった。

他方、特許文献１に記載のピストンモードを利用した弾性波共振子では、低音速領域を設け、低音速領域の外側に高音速領域であるギャップ領域が設けられている。それによって、横モードリップルが抑制されている。しかしながら、このような構造では、低音速領域を設けなければならないため、弾性波共振子の面積が大きくなるという問題があった。

本発明の目的は、共振子を大型にせずとも、横モードリップルの影響を低減することができる、ラダー型フィルタを提供することにある。

本発明に係るラダー型フィルタは、弾性波共振子からなる直列腕共振子と、弾性波共振子からなる複数の並列腕共振子とを備え、上記複数の並列腕共振子が上記直列腕共振子とともに通過帯域を構成している第１の並列腕共振子と、第２の並列腕共振子とを有し、各弾性波共振子は、第１，第２のバスバーと、上記第１及び第２のバスバーにそれぞれ一端が接続されている複数本の第１の電極指及び複数本の第２の電極指とを有し、上記複数本の第１の電極指と上記複数本の第２の電極指とを弾性波伝搬方向に見たときに重なり合っている部分を交差幅領域とし、上記交差幅領域と上記第１，第２のバスバーとの間の領域をギャップ領域としたときに、上記第２の並列腕共振子における上記ギャップ領域の交差幅方向寸法が、上記第１の並列腕共振子における上記ギャップ領域の交差幅方向寸法よりも大きくされており、上記第２の並列腕共振子の共振周波数が、上記直列腕共振子の共振周波数以上の周波数域に位置している。

本発明に係るラダー型フィルタのある特定の局面では、上記第２の並列腕共振子の共振周波数が、上記直列腕共振子の反共振周波数以上の周波数域に位置している。

本発明に係るラダー型フィルタの他の特定の局面では、上記第２の並列腕共振子の電極指ピッチで定まる波長をλ、上記交差幅領域の交差幅方向に沿う寸法をＬ１としたときに、Ｌ１＜７×λである。

本発明に係るラダー型フィルタのさらに他の特定の局面では、上記第２の並列腕共振子の電極指ピッチで定まる波長をλ、上記交差幅領域の交差幅方向に沿う寸法をＬ１としたときに、Ｌ１＜４×λである。

本発明によれば、第２の並列腕共振子において、充分な高音速領域が設けられているため、低音速領域を形成せずとも良好な共振特性を得ることができる。また、第２の並列腕共振子の共振周波数が、直列腕共振子の共振周波数以上と高くされているため、帯域外減衰特性を改善することができる。また、横モードリップルを、直列腕共振子の共振周波数付近から遠ざけることが可能となる。よって、帯域外減衰特性を改善することができる。

図１（ａ）は本発明の第１の実施形態で用いられている第２の並列腕共振子の電極構造を示す平面図であり、図１（ｂ）は第２の並列腕共振子の略図的正面断面図である。 図２は、比較例の電極構造を示す平面図である。 図３は、実線は第２の並列腕共振子の共振特性を示し、破線は比較のために用意したギャップ領域が拡大されていない弾性波共振子の共振特性を示す図である。 図４は、本発明の第１の実施形態に係るラダー型フィルタの回路図である。 図５は、本発明の第１の実施形態に係るラダー型フィルタのフィルタ特性及び第１，第２の並列腕共振子と直列腕共振子との共振特性を示す図である。 図６は、本発明の第１の実施形態のラダー型フィルタのフィルタ特性と、第２の比較例のラダー型フィルタのフィルタ特性を示す図である。 図７は、本発明の第１の実施形態のラダー型フィルタを送信フィルタとして備えるデュプレクサにおける送信特性及び第３の比較例の送信特性を示す図である。 図８は、横モードリップルと共振周波数Ｆｒとの間の周波数差ΔＦを説明するための弾性波共振子の共振特性を示す図である。 図９は、交差幅領域の寸法Ｌ１と、ΔＦ／Ｆｒとの関係を示す図である。

以下、図面を参照しつつ、本発明の具体的な実施形態を説明することにより、本発明を明らかにする。

図４は、本発明の第１の実施形態に係るラダー型フィルタの回路図である。ラダー型フィルタ１は、入力端子２と出力端子３とを結ぶ直列腕を有している。この直列腕において、直列腕共振子Ｓ１〜Ｓ４が直列に接続されている。直列腕とグラウンド電位とを結ぶように複数の並列腕が設けられている。各並列腕に、並列腕共振子Ｐ１〜Ｐ４が設けられている。並列腕共振子Ｐ１〜Ｐ３は、本発明における第１の並列腕共振子であり、直列腕共振子Ｓ１〜Ｓ４とともに通過帯域を形成している。並列腕共振子Ｐ４は、本発明における第２の並列腕共振子に相当する。

ラダー型フィルタの通過帯域は、直列腕共振子Ｓ１〜Ｓ４の共振特性と、第１の並列腕共振子Ｐ１〜Ｐ３の共振特性を利用して形成されている。すなわち、並列腕共振子Ｐ１〜Ｐ３の共振周波数により、通過帯域の低周波側に位置している減衰極が構成される。また、直列腕共振子Ｓ１〜Ｓ４の反共振周波数により、通過帯域の高域側に位置している減衰極が構成される。

もっとも、このような直列腕共振子Ｓ１〜Ｓ４の共振特性及び並列腕共振子Ｐ１〜Ｐ３の共振特性を利用しただけでは、良好な帯域外減衰特性を得ることは困難であった。本実施形態では、第２の並列腕共振子Ｐ４が設けられているため、以下に詳述するように、帯域外減衰特性の改善を図ることができる。

直列腕共振子Ｓ１〜Ｓ４及び並列腕共振子Ｐ１〜Ｐ４は弾性表面波共振子からなる。

図１（ａ）は、第２の並列腕共振子Ｐ４の電極構造を示す平面図であり、図１（ｂ）は、第２の並列腕共振子Ｐ４の略図的正面断面図である。

第２の並列腕共振子Ｐ４は、圧電基板５を有する。圧電基板５は、ＬｉＴａＯ_３またはＬｉＮｂＯ_３などの圧電単結晶からなる。もっとも、圧電単結晶に代えて圧電セラミックスを用いてもよい。

圧電基板５上に、図１（ａ）に示す電極構造が形成されている。すなわち、ＩＤＴ電極６と、ＩＤＴ電極６の弾性波伝搬方向両側に配置された反射器７，８とが形成されている。

上記電極構造は、Ａｌ，Ｃｕ，Ｗ，Ｐｔ，Ａｕなどの適宜の金属もしくは合金からなる。また、これらの電極構造は、複数の金属膜を積層してなる積層金属膜により形成されていてもよい。

反射器７，８は、複数本の電極指の両端を短絡してなる、グレーティング型反射器である。

ＩＤＴ電極６は、第１のバスバー１１と、第２のバスバー１２とを有する。第１のバスバー１１と第２のバスバー１２とは、弾性波伝搬方向に延ばされている。第１のバスバー１１に、複数本の第１の電極指１３の一端が接続されている。第２のバスバー１２には、複数本の第２の電極指１４の一端が接続されている。複数本の第１の電極指１３及び複数本の第２の電極指１４は、弾性波伝搬方向と直交する方向に延びている。複数本の第１の電極指１３と複数本の第２の電極指１４は、互いに間挿し合っている。弾性波伝搬方向から見たときに、第１の電極指１３と第２の電極指１４とが重なっている部分を交差幅領域とする。また、上記電極指１３，１４の延びる方向を、交差幅方向とする。図１（ａ）において、弾性波伝搬方向における電極指の寸法を電極指の幅と定義したとき、複数本の第１の電極指１３及び複数本の第２の電極指１４における各電極指の幅は一定とした。ＩＤＴ電極６が設けられる圧電基板の表面の法線方向における電極指の寸法を電極指の厚みと定義したとき、複数本の第１の電極指１３及び複数本の第２の電極指１４における電極指の厚みは一定とした。

ＩＤＴ電極６では、図１（ａ）中の一点鎖線Ａ１と一点鎖線Ａ２とで挟まれた矩形形状の領域が、交差幅領域Ｃとなる。そして、交差幅領域Ｃの交差幅方向外側にギャップ領域Ｄ１，Ｄ２が形成されている。ギャップ領域Ｄ１とは、第１のバスバー１１と、交差幅領域Ｃとの間の矩形形状の領域である。ギャップ領域Ｄ２とは、第２のバスバー１２と交差幅領域Ｃとの間の矩形形状の領域である。ギャップ領域Ｄ１では、弾性波伝搬方向に沿って第１の電極指１３のみが位置している。従って、交差幅領域Ｃに比べ、ギャップ領域Ｄ１は高音速の領域とされている。ギャップ領域Ｄ２も同様に、複数本の第２の電極指１４のみが位置しているため、相対的に音速の高い領域である。なお、交差幅領域Ｃの形状は矩形形状であることが、小型化のため好ましい。ただし、必ずしも矩形形状でなくともよく、交差幅領域Ｃにおいて、第１の電極指１３または第２の電極指１４の交差幅方向の長さに変化を与えてもよい。この場合、交差幅方向寸法としては、第１，第２の電極指の交差している部分の長さの相加平均値を用いればよい。

図３は、上記第２の並列腕共振子Ｐ４の共振特性と、比較例の弾性波共振子の共振特性を示す図である。実線が第２の並列腕共振子Ｐ４の共振特性を示す。破線が、比較例の弾性波共振子の共振特性である。

上記比較例の電極構造を図２に平面図で示す。図２に示すように、比較例の弾性波共振子では、ＩＤＴ電極１０６が、第１，第２のバスバー１１１，１１２、複数本の第１の電極指１１３、及び複数本の第２の電極指１１４を有する。図１（ａ）と図２とを対比すれば明らかなように、比較例の弾性波共振子では、ギャップ領域の交差幅方向寸法が短くされており、交差幅領域の交差幅方向寸法よりもかなり短くされている。これに対して、図１（ａ）で示した実施形態では、ギャップ領域Ｄ１，Ｄ２の交差幅方向寸法が、高音速層である交差幅領域Ｃの交差幅方向寸法と同等程度とされている。それによって、対称性によって、高音速層によりメインモードを閉じ込めるエネルギーを大きくできる。従って、エネルギーの閉じ込めにより、良好な共振子特性が確保できる。なお、ギャップ領域Ｄ１の交差幅方向寸法を、ギャップ領域Ｄ２の交差幅方向寸法と異ならせてもよい。

上記のようにギャップ領域Ｄ１，Ｄ２の交差幅方向寸法が大きくされているため、低音速領域を設けずとも、図３に示すように、第２の並列腕共振子Ｐ４では、良好な共振特性が得られている。すなわち、破線で示す比較例の共振特性に比べて、反共振周波数におけるインピーダンスの共振周波数におけるインピーダンスに対する比である山谷比を大きくすることができる。

また、図３の実線で示す共振特性では、矢印Ｅで示す横モードリップルが現れているが、この横モードリップルの周波数位置が、反共振周波数よりも高い位置とされている。従って、第２の並列腕共振子Ｐ４の共振周波数の位置を選択することにより、横モードリップルＥの影響が生じ難いフィルタ特性を形成し得ることがわかる。また、太幅部からなる低音速領域を設けずともよいため、第２の並列腕共振子Ｐ４では、大型化も招き難い。太幅部を設けないことで、電極指の太幅部と、互いに隣り合う電位の異なる電極指との隙間が広くできるため、ＩＤＴ電極の耐電圧が高くできる。

本実施形態のラダー型フィルタ１では、第２の並列腕共振子Ｐ４が上記のように構成されており、かつ第２の並列腕共振子Ｐ４の共振周波数が、直列腕共振子Ｓ１〜Ｓ４の共振周波数よりも高くされている。それによって、ラダー型フィルタの帯域外減衰特性の改善が図られる。これを、図５〜図７を参照して説明する。

図５に、上記実施形態のラダー型フィルタのフィルタ特性を破線Ｆ１及び一点鎖線Ｆ２で示す。なお、破線Ｆ１は一点鎖線Ｆ２で示すフィルタ特性の拡大図である。

また、第１の並列腕共振子Ｐ１〜Ｐ３、第１〜第４の直列腕共振子Ｓ１〜Ｓ４及び第２の並列腕共振子Ｐ４の共振特性を併せて示す。

本実施形態では、第１の並列腕共振子Ｐ１〜Ｐ３の共振周波数により、通過帯域の低域側の減衰極が形成されている。また、直列腕共振子Ｓ１〜Ｓ４の反共振周波数により、減衰極が通過帯域高域側に設けられている。すなわち、第１の並列腕共振子Ｐ１〜Ｐ３と、直列腕共振子Ｓ１〜Ｓ４により通過帯域が形成されている。他方、第２の並列腕共振子Ｐ４の共振周波数は、直列腕共振子Ｓ１〜Ｓ４の共振周波数よりも、さらには反共振周波数以上の周波数域に配置されている。従って、ラダー型フィルタ１では、通過帯域高域側の減衰極よりも高域側の帯域外減衰量の拡大が図られている。加えて、第２の並列腕共振子Ｐ４では、前述した横モードリップルは、反共振周波数よりも高い周波数位置に存在しているため、横モードリップルがラダー型フィルタ１の通過帯域内には位置していない。従って、通過帯域のフィルタ特性の劣化も生じ難い。

よって、ラダー型フィルタ１では、上記第２の並列腕共振子Ｐ４を備えているため、帯域外減衰量の拡大を図ることができ、良好なフィルタ特性を得られることがわかる。

より好ましくは、第２の並列腕共振子Ｐ４の共振周波数が、直列腕共振子Ｓ１〜Ｓ４の反共振周波数以上の周波数域にあることが望ましい。それによって、横モードリップルの影響をより効果的に低減することができる。

図６は、上記実施形態のラダー型フィルタのフィルタ特性と、比較のために、第２の並列腕共振子Ｐ４が備えられていないことを除いては同様に構成された第２の比較例のラダー型フィルタのフィルタ特性を示す図である。実線が上記実施形態の結果を、破線が第２の比較例のラダー型フィルタのフィルタ特性を示す。

図６から明らかなように、本実施形態のラダー型フィルタでは、第２の並列腕共振子を有しない第２の比較例のラダー型フィルタに比べ、帯域外減衰量を拡大し得ることがわかる。

図７は、上記実施形態のラダー型フィルタ１を送信フィルタとして備えるデュプレクサにおける送信特性を示す図である。図７の実線が実施形態の結果を示し、破線が第３の比較例の結果を示す。第３の比較例では、第２の並列腕共振子Ｐ４が設けられていないことを除いては、上記実施形態と同様に構成されている。図７から明らかなように、本実施形態によれば、広い周波数範囲に渡り、第３の比較例に比べて、帯域外減衰量を拡大し得ることがわかる。

図６及び図７からも明らかなように、ラダー型フィルタ１では、第２の並列腕共振子Ｐ４が設けられていることによって、また第２の並列腕共振子の共振周波数が直列腕共振子Ｓ１〜Ｓ４の共振周波数以上と高くされているため、帯域外減衰特性を大幅に改善し得ることがわかる。

なお、第２の並列腕共振子Ｐ４において、上記ギャップ領域Ｄ１，Ｄ２は、充分に大きいことが望ましいが、好ましくは、交差幅領域の交差幅方向寸法をＬ１としたとき、Ｌ１＜７×λとすることが望ましく、より望ましくは、Ｌ１＜４×λとすることが望ましい。これを次に説明する。なお、λは、弾性波共振子の電極指ピッチで定まる波長である。

図８は、第２の並列腕共振子Ｐ４における共振周波数Ｆｒと、横モードリップルＥの周波数位置との差ΔＦを説明するための共振特性の図である。すなわち、周波数差ΔＦとは、横モードリップルＥの共振周波数Ｆｒからどの程度周波数で離れているかを示す尺度である。

図９は、上記交差幅領域の交差幅方向寸法Ｌ１を変化させた場合のΔＦ／Ｆｒの変化を示す図である。図９から明らかなように、Ｌ１が７λ以下であれば、ΔＦ／Ｆｒを２％以上とすることができる。すなわち、横モードリップルを共振周波数から効果的に遠ざけることができる。従って、広い周波数範囲に渡り、リップルの影響がない帯域外減衰特性を得ることができる。また、Ｌ１が４λ以下であれば、ΔＦ／Ｆｒを４．０％以上とすることができ、横モードリップルをより一層遠ざけることができる。従って、より広い周波数範囲に渡り、リップルの影響がない、良好な減衰特性を得ることができる。

なお、本発明のラダー型フィルタにおいて、直列腕共振子及び第１の並列腕共振子の段数は特に限定されない。また、第２の並列腕共振子についても複数設けられてもよい。さらに、第２の並列腕共振子を複数設ける場合、第２の並列腕共振子の共振特性をすべて等しくする必要も必ずしもない。さらに、第２の並列腕共振子を設ける並列腕の位置は、上記実施形態の場合の位置から変更してもよい。

１…ラダー型フィルタ
２…入力端子
３…出力端子
５…圧電基板
６…ＩＤＴ電極
７，８…反射器
１１…第１のバスバー
１２…第２のバスバー
１３…第１の電極指
１４…第２の電極指
１０６…ＩＤＴ電極
１１１，１１２…第１，第２のバスバー
１１３…第１の電極指
１１４…第２の電極指
Ｃ…交差幅領域
Ｄ１，Ｄ２…ギャップ領域
Ｐ１〜Ｐ３…第１の並列腕共振子
Ｐ４…第２の並列腕共振子
Ｓ１〜Ｓ４…第１〜第４の直列腕共振子

Claims (4)

1. 弾性波共振子からなる直列腕共振子と、
   弾性波共振子からなる複数の並列腕共振子とを備え、
   前記複数の並列腕共振子が前記直列腕共振子とともに通過帯域を構成している第１の並列腕共振子と、第２の並列腕共振子とを有し、
   各弾性波共振子は、第１，第２のバスバーと、前記第１及び第２のバスバーにそれぞれ一端が接続されている複数本の第１の電極指及び複数本の第２の電極指とを有し、前記複数本の第１の電極指と前記複数本の第２の電極指とを弾性波伝搬方向に見たときに重なり合っている部分を交差幅領域とし、前記交差幅領域と前記第１，第２のバスバーとの間の領域をギャップ領域としたときに、前記第２の並列腕共振子における前記ギャップ領域の交差幅方向寸法が、前記第１の並列腕共振子における前記ギャップ領域の交差幅方向寸法よりも大きくされており、
   前記第２の並列腕共振子の共振周波数が、前記直列腕共振子の共振周波数以上の周波数域に位置している、ラダー型フィルタ。
2. 前記第２の並列腕共振子の共振周波数が、前記直列腕共振子の反共振周波数以上の周波数域に位置している、請求項１に記載のラダー型フィルタ。
3. 前記第２の並列腕共振子の電極指ピッチで定まる波長をλ、前記交差幅領域の交差幅方向に沿う寸法をＬ１としたときに、Ｌ１＜７×λである、請求項１または２に記載のラダー型フィルタ。
4. 前記第２の並列腕共振子の電極指ピッチで定まる波長をλ、前記交差幅領域の交差幅方向に沿う寸法をＬ１としたときに、Ｌ１＜４×λである、請求項３に記載のラダー型フィルタ。

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