WO1999037022A1

WO1999037022A1 - Filtre et transducteur a ondes acoustiques de surface avec inversion de la reflexion

Info

Publication number: WO1999037022A1
Application number: PCT/JP1999/000126
Authority: WO
Inventors: Kazuhiro Hirota
Original assignee: Toyo Communication Equipment Co., Ltd.
Priority date: 1998-01-20
Filing date: 1999-01-18
Publication date: 1999-07-22
Also published as: DE69909913D1; JPH11214958A; US6329888B1; NO994500D0; EP0977356A1; JP3266846B2; ID22704A; EP0977356A4; NO994500L; EP0977356B1; NO315345B1; DE69909913T2

Description

明細書反射反転型弾性表面波変換器及びフィル夕技術分野

本発明は弾性表面波変換器（以下、 I DT電極と称す）およびこれを用いて構成した弾性表面波デバイスに関し、特に励起した弾性表面波の 1波長中に 3本の電極指を配置して、通過域近傍の高域側に生ずる减衰量の落ち込み及びその領域のスプリアスを改善した反射反転型弾性表面波変換器に関する。背景技術

近年、弾性表面波デバイス（以下、 SAWデバイスと称す）は多くの通信分野に用いられ、高周波、小型及び量産性等に優れていることから特に携帯電話等の小型化の一翼を担っている。

図 5 (a) は従来の 1次一 3次縦結合二重モード SAWフィル夕（以下、二重モード S AWフィル夕と称す）の電極パターンの一例を示す平面図であつて、圧電基板 1 1の主面上に表面波の伝搬方向に沿って 3つの正規型 I D T 12、 I D Τ 13及び I D Τ 14を近接配置し、これら I D Τの両側に反射器 1 5 a、 1 5 bを配設したものである。

IDT 12、 13、 14はそれそれ互いに間挿し合う複数本の電極指を有する一対のくし形電極により構成され、 I D T 12の一方のくし形電極は入力端子に接続し、他方のくし形電極は接地する。そして、 I DT 13と I D T 14の一方のくし形電極は互いに連結して出力端子に接続し、 I DT 1 3 と I D T 14の他方のくし形電極は互いに接続して接地する。

図 5 (a) に示す二重モード SAWフィル夕の動作は、周知のように、 I DT 12、 1 3、 14によって励起される複数の表面波が反射器 1 5 a、 1 5 bの間に閉じ込められ、前記 I D T 1 2、 1 3、 1 4の間で音響結合を生ずる結果、 1次と 3次の 2の縱共振モードが強勢に励振され、これらの 2つのモードを利用した二重モード SAWフィル夕として動作する。なお、該ニ重モ一ド S AWフィル夕の通過帯域は 1次共振モ一ドと 3次共振モードとの周波数差に比例することは周知のことである。

また、前記二重モード SAWフィル夕を圧電基板上に複数個併置し、それらを縱続接続してフィル夕の減衰傾度及び保証減衰量を改善することは周知の手段である。

図 5 (a) に示す I D T電極パターンを用いた一例として、圧電基板に 3 6° Yカット X伝搬の L i T a0₃を用い、 I D T 1 2を 1 8対、 I D T 1 3、 14を各 1 8対、反射器を各 5 00本、反射器のピッチに対する I D T のピッチの比 L_t/L_Rを 0. 9 90とし、中心周波数 1. 5 GH z、必要帯域幅 24MH zの二重モード SAWフィル夕をシミュレーションした場合の周波数特性例を図 5 (b) に示す。

しかしながら、従来の正規型 I D T電極パターンを用いて広帯域の二重モード SAWフィル夕を実現しょうとすると、図 5 (b) に示したフィル夕特性からも明らかなように、通過域近傍の高域側の減衰傾度が、低域側の減衰傾度のように一様に増加せず、減衰量が 1 3 dB程度で一度劣化してから増加する特性、即ちダレ特性を呈する。（図 5 (b) に示す通過域近傍の小さなリップルは、反射器 1 5 a、 1 5 bに起因するもので、実際の製品ではバルク波に変換されて小さくなり、実用上さしつかえない。）

上記問題を解決するため、同様の特性を持つ複数の二重モ一ド SAWフィル夕を縱続接続することにより特性改善を図っているが、前記のダレ特性そのものを無くすことはできず、周知のように従属接铳することにより挿入損失が 2倍、あるいは 3倍になるという問題があつたつ

また、最近では、周波数有効利用の必要性からチネル間隔の挟帯域化の要請があり、使用するフィル夕に対しても低損失、高減衰量が要求され、従来の通過帯域近傍の高域側に生ずる所謂ダレ特性のある二重モード S A Wフィル夕では、その要求に応えることができないという問題があった。

これを解決するためにラダ一型 S A Wフィル夕が提案されているものの中心周波数から離れた周波数では十分な減衰量が得られないため用途が限定されるという問題がある。

本発明は上記問題を解決するためになされたものであって、通過域近傍の高域側の減衰量及び該領域のスプリァスを改善した I D T電極の構造及びそれを用いた S A Wデバイスを提供することを目的とする。発明の開示

上記目的を達成するために本発明に係る反射反転型弾性表面波変換器の請求項 1記載の発明は、圧電基板上に配置した幅員 W 1の第 1の電極指と、その隣に間隙 g 1をおいて配置した幅員 W 2の第 2の電極指と、さらにその隣に間隙 g 2をおいて配置した幅員 W 3の第 3の電極指と、第 1の電極指と第 3の電極指の隣にそれそれ配置した（g 3 ) / 2のスペースとから成る単位区間を複数区間繰り返して構成する表面波変換器であって、前記第 1と第 3 の電極指を同相とし第 2の電極指を逆相とすると共に第 1の電極指の幅員 W 1と第 3の電極指の幅員 W 3とを W 1 = W 3とし、間隙 g 1と間隙 g 2とを S 1 = g 2としたことを特徴とする反射反転型弾性表面波変換器である。請求項 2記載の縦結合多重モ一ド S A Wフィル夕は、請求項 1記載の表面波変換器を表面波の伝搬方向に沿って複数個近接して配置し、その両側に反射器を配設して構成したことを特徴とする。

請求項 3記載の縱結合多重モード S A Wフィル夕は、請求項 1記載の表面波変換器を表面波の伝撈方向に沿って複数個近接して配置し、その両側に反射器を配設して構成する結合多重モード S A Wフィル夕であって、反射器のピッチに対する I D Tのピッチの比を 1より大きくしたことを特徴とする。請求項 4記載の反射反転型弾性表面波変換器は、圧電基板上に配置した I D T電極の単位区間において、該区間内の各電極指端面からの反射べクトルを合成した合成べクトルの位相が正位相となることを特徴とする。図面の簡単な説明

図 1 (a) は本発明の電極構造の一部を示す平面図であり、図 1 (b) はその電極上の表面電位を示した断面図である。

図 2 (a) は本発明に係る I D T電極 1波長に配列した 3つの I D T電極指の 6個のエッジ面を示す。図 2 (b) は前記 6個のエッジ面における反射ベクトル E 1〜E 6とその合成べクトル Γ 1を示す。

図 3は本発明に係る I D T電極が形成するストップバンドの下端の周波数 (実線）、上端の周波数（一点鎖線）、駆動力分布曲線（破線）、励振中心 (〇印）及び反射中心（口印）を示す図である。

図 4は本発明に係る I D T電極を用いて構成した縦結合二重モ一ド SAW フィル夕の周波数特性を示す図である。

図 5 (a) は従来の 1次— 3次縦結合二重モード SAWフィル夕の構成を示す一平面図、図 ₅ (b) はその周波数特性である。

図 6 (a) は連続周期構造の正規型 I D T電極の一部を示す平面図、図 6 (b) はその電極上の表面電位を示した断面図である。

図 7 (a) は正規型 IDT電極の 1波長における 4つの反射面 R 1〜R4 を示す図、図 7 (b) は 4つの反射面の反射ベクトル R 1〜R 4とその合成べクトル Γ 2を示す図である。

図 8は正規型 I DT電極が形成するストップバンドの下端における定在波 (実線）、上端における定在波（一点鎖線）、羅動力分布（破線）、励振中心（〇印）及び反射中心（口印）を示す図である。 δ 図 9 (a) は 1次— 3次縦結合二重モード SAWフィル夕の濾波特性、図 9 (b) は I D T電極による反射係数及び反射器による反射係数と 1次、 3 次モードの共振周波数 f 1、 f 3の関係を示した図である。発明を実施するための最良の形態

以下、本発明を図面に示した実施の形態に基づいて詳細に説明する。

本発明の理解を得るために、通常の正規型 I D Τ電極の動作原理について、簡単に説明する。図 6 (a) は圧電基板上に弾性表面波の伝搬方向に沿って配置された通常の正規型 I D T電極の一構成例を示したものであり、それそれ互いに間挿し合う複数本の電極指を有する一対のくし形電極により構成されている。

ここで記号えは前記 I D T電極によって励起される表面波の波長であり、該波長人は前記 I D T電極の連続する任意の電極指 16の中央から電極指 1 8の中央までに相当する。図 6 (b) は同図（a) の B— B部分の断面図であり、くし形電極間に高周波電圧を印加して、 I D T電極を駆動した場合のある瞬間の表面電位を破線にて示したものである。正規型 I D T電極は幅の等しい電極指が人 /2周期で並んでおり、任意の I D T電極指中央を基準とした 1対（電極指 2本によって構成する 1基本単位）あたりの反射係数 Γ 2 (反射ベクトル）を図 7 (a) 、 (b) を用いて説明する。

図 7 (a) に示すように任意の IDT電極の 1波長え分の反射を考えるに当たって、各電極指の圧電基板に垂直なエッジ面を R 1〜R 4とする（ここで記号 R 1〜 R 4はそれそれエッジ面を表すと共にそのエッジ面からの反射ベクトルも表すものとする）。この 4つのエッジ面 R 1〜： R4からの反射べクトルは、図 7 (b) に示すように、エッジ面 R 1、 R 3からの反射べクトル R l、 R 3はそれそれ等しく、即ち大きさと位相角が同じとなり、エッジ面 R 2、 R 4からの反射べクトル R 2、 R 4はそれそれ等しくなる。従って、図 7 ( b ) に示すように 4つの反射ベクトル R 1〜R 4を合成した反射べクトルが 1基本単位（ 1対）当たりの反射ベクトル Γ 2となり、電極指の中央を基準としたとき一7Γ / 2の位相となっている。

即ち、所謂反射中心は反射係数の位相が一 ΤΓ/ 2となる位置と定義されているから、各電極指の中央に位置することになる。このような正規型 I D T 電極指を多数ならベた周期構造（S AW共振子、 S A W共振型フィルタ等）では、その周期的な反射のためにストヅプパンドが形成されることはよく知られている。その意味するところは、前記ストップバンド内の周波数を有する表面波は伝搬することができず、定在波が形成されることであり、この共振状態を利用して S A W共振子や S A Wフィル夕を構成する。

「モード結合理論を用いた I D Tの特性解析法」（第 2 1回 EM シンポジゥム、 p.87-94、 1992 ) に示されているように、正規型 I D T電極によつて形成されるストップバンドの下端（下限）及び上端（上限）の周波数において、それそれの定在波の腹（又は節）の位置が ττ/ 2ずれている。図 8は正規型 I D T電極のストップパンドの両端（下端および上端）におけるそれそれの定在波の分布を示す図である。実線で示すストップバンドの下端における定在波は電極指中央位置即ち、反射中心位置で腹となり、一点鎖線で示すストップバンド上端における定在波は反射中心位置において節となる。なお、一点鎖線で示したストップパンド上端の定在波は無限周期構造では励振されないが、実際の I D T構造のように有限構造となるとストップバンド下端における定在波よりも弱いものの励振されることになる。

一方、表面波（波長え）を励起する駆動力（くし形電極に印加した電圧により機械的な変位を起こす力）は、周知のように図 6 ( b ) に示した表面電位分布をフーリエ級数展開したときの最低次成分となる。計算して求めた駆動力は周期人の正弦波となり、図 8中に破線で示す。このように破線で示された正弦波の極値の位置が励振中心である。図 8中に示した口印は反射中心を示し、〇印は励振中心を示している。

図 8に示すように、励振中心（〇印）と反射中心（口印）が重なると、実線で示したストップバンド下端の定在波は破線で示した駆動力分布と同相となり、強勢に励振されることになる。

このように、正規型 I D Tを用いた従来の縦結合多重モード SAWフィル夕では、強勢に励振されるス卜ップバンド下端の最低次の共振周波数（f 1 ) と、その縦の高次モードの共振周波数（f n) とを用いてフィル夕を構成している。これら縦の高次モードは、その最低次がストップバンド下端に近く、高次モードになるほど低い周波数において励起されることが既に実験的にもシミュレーションでも確認されている通りである。

図 9 (a) 、 (b) は共振周波数 f 1、 f 3を用いた二重モ一ド SAWフイルクの濾波特性と、 I DT及び反射器 Re fの反射係数 Γとの周波数関係を模式的に図示したものである。反射器のピッチは I DTのそれより大きく設定するため、反射器の反射係数の中心周波数は I DTのそれより低くなつている。

図 1 (a) は本発明に係る I DT電極構成の一例を示す平面図であって、幅員 W1の第 1の電極指 1と、図中右方に間隙 g 1をおいて幅員 W 2の第 2 の電極指 2と、図中右方に間隙 g 2をおいて幅員 W 3の第 3の電極指 3と、電極指 1と 3の両側の（g 3) / 2のスペースから成る単位区間、即ち一波長人当たり 3本の電極指で構成される単位区間を圧電基板上に繰り返し配列したものである。

さらに、第 1の電極指 1の幅員 W 1と第 3の電極指 3の幅員 W 3とを W 1 =W3とし、第 1の電極指 1と第 2の電極指 2との間隙 g 1と、第 2の電極指 2と第 3の電極指 3との間隙 g 2とを g 1 =g 2とする。そして、電極指 1と 3とを電極指 2と逆相にて駆動するものとする。

図 1 (b) は同図（a) の A— Aにおける断面図であり、くし形電極に高周波電圧を印加して I D T電極を駆動した場合のある瞬間の表面電位を示したものである。このように一波長人当たり電極指を 3本とした I D T電極の単位区間当たりの反射係数 Γ 1 (反射ベクトル）を求める。図 2 ( a ) に示すように I D T電極の任意の 1区間、即ち、電極指 1〜 3の各両端の 6つのエッジ面 E 1〜E 6からの反射ベクトル E 1〜E 6 ( E iはエッジ面を示すと同時にそのエッジからの反射べクトルも示すものとする）を求めてみると、図 2 ( b ) に示すように 6つの反射べクトル E 1〜E 6が求まる。この場合、図 7と比較するために第 2の電極指 2の中央を反射の基準としている。この反射ベクトル E 1 ~ E 6の合成ベクトルは、図 2 ( b ) に示すように反射べクトル Γ 1となる。

反射ベクトル Γ 1は、図 7 ( b ) に示した正規型 I D T電極の反射べクトル Γ 2とは異なり、電極指 2中央において 7Γ/ 2の位相を示している。従つて、両者の位相は 7Γだけ異なることなる。この位相差による反射中心の空間的位置は、表面波の位相回転は往復が寄与するため、電極指 2の中央から空間的に人 / 4だけ離れた位置になる。即ち、本発明に係る I D T電極では、ストップバンドの上端及び下端の周波数におけるそれそれの定在波分布は図 3に示すようになる。図 3において、実線はストップバンド下端の周波数における定在波を示し、一点鎖線はストップバンドの上端の周波数における定在波を示している。

即ち、図 8と比べて明らかなように、反射中心が励振中心に対してえ /4 だけずれたのに伴い各定在波分布もそれそれ λ/4 だけずれ、結果として駆動分布に対する定在波のそれそれの腹と節の位置関係が図 8のそれとは入れ替わっている。

一方、図 1 ( b ) に示す表面電位分布をフーリエ級数展開したときの最低次成分が駆動力となることは前述した通りであり、これを計算した駆動力分布は図 3中に破線で示した正弦波の曲線になる。図 3からも明らかなように、励振中心（〇印）は第 2の電極指 2の中心に位置し、反射中心（口印）は第 2の電極指 2の中央から人 /4離れた位置になる。

従って、一点鎖線で示すストップパンド上端の周波数における定在波の腹力励振中心と一致するため、ストップバンド上端の周波数が強勢に励振される。一方、実線で示すストップバンド下端の周波数における定在波の節が励振中心と一致し、無限周期構造では励振されないことを示している。

しかし、実際の有限周期構造では、実線で示すストップバンド下端の定在波は、一点鎖線で示すストップバンド上端の定在波に比べて弱いものの励振される。本発明に係る I D T電極構成を用いるとストップパンド上端の定在波は強く励振されることになる。このストップバンド上端の周波数の縦の高次モードは、シミユレーシヨンの結果によると次数が高いほど高い周波数に現れ、最低次モードと高次モ一ドを複数個用いて縦結合多重モード SAWフィル夕を構成することが出来る。

図 4に示すフィル夕特性は、本発明に係る I D T電極 3(1を圧電基板上に表面波の伝播方向に沿って近接配置し、その両側に反射器を配して構成した縦結合二重モ一ド SAWフィル夕の周波数特性である。

図 4に示したフィル夕の諸パラメ一夕について述べると、図 5 (b) に示した正規型フィル夕では正負電極指で 1対であるが、本発明の I D T電極においては 3つの電極指（ 1波長人当たり）で正規型フィル夕の 1対に相当する。また反射器のピッチのピッチ L_Rは、図 5 (b) に示したフィル夕あるいは図 4に示したフィル夕においても一定とし、反射器のピッチに対する I D Tのピッチの比 L_t/L_Rを図 4のフィル夕では 1. 0 1 5とした。それ以外のパラメ一夕は、図 5 (b) に示したパラメ一夕と同じである。ただ、本実施例では、第 2の電極指の幅員 W 2を第 1及び第 3の電極指の幅員 W 1、 W3 (W 1 =W3 ) より幅狭に形成、即ち、 W 1 =W3 >W2とした。本発明になる I D T電極が形成するストップバンドの高い側にある複数の共振モードを利用して通過域を形成しているため、図 5 ( b ) に示す従来のフィル夕特性とは異なり、通過域近 1'旁の高域側の減衰傾度が大幅に改善されている。

また、通過域近傍の低域側では、従来の多重モード S A Wフィル夕が示す減衰傾度のダレが現れることになる。

以上説明したように、励振中心はそのままで反射中心の位置を 7Γ / 2ずらす（反射合成ベクトルの位相を 7Γ変える）ことにより、正規型 I D Τ電極が示すストップバンド上端と下端の役割と、本発明に係る I D T電極が示すストップバンド上端と下端の役割とが丁度反対となる。即ち、正規型 I D T電極のストップバンドの上下端周波数が示す特性を入れ替えたような周波数特性を有するフィル夕（または共振子）が実現できることになる。

本発明の I D T電極を縱結合多重モード S A Wフィル夕に適用することにより、これまで通過域近傍の高域側に生じていた減袞量のダレを解消したフィル夕が実現できることになる。

従って、通過域近傍の高域側において高減衰量を必要とするフィル夕の要求がある場合、従来のように縦続接続構成することなく、本発明の I D T電極を用いれば、容易に要求特性を実現できることが可能となった。また、本発明の I D T電極を用いて縦結合多重モード S A Wフィル夕を制作することにより、従来のように従属接続による高挿入損失を解消することができる。また、本発明の I D T電極を用いた多重モード S A Wフィル夕と、従来の正規型電極を用いた多重モ一ド S A Wフィル夕とを縦続接続することにより、通過帯域の両近傍の減衰傾度を急峻な力ットオフ特性としたフィル夕を実現できる。このように構成された複合モ一ドフィル夕はラダー型フノル夕とは異なり、中心周波数から離れた周波数においても十分な減衰量を保証する。上述したストップバンド上下端の定在波の正弦波曲線および周波数特性に関する説明は、正規型 I D T電極において電極指中央が反射中心（電極指中央において反射係数の位相が— 7Τ/ 2となる）となるような圧電基板と電極材料の組み合わせに関するものである。

しかし、例えば A 1電極と 1 28° Y— XL i Nb 0₃の組み合わせでは、電極膜厚が約 3. 5%人以上においては、正規型 I DT電極であっても反射中心は電極指中央から人 /4離れた位置（スペース中央）になる。このような場合には、正規型 I D T電極と新たに提案した反射反転電極のストップバンドの上端と下端の作用が入れ替わるのみで、両者の相補的な関係および利用価値は変わらない。

本発明は、以上説明したように構成したので、本発明の I D T電極を用いて構成した縦結合多重モ一ド SAWフィル夕は通過帯域近傍の高域側において良好な減衰傾度を示す。また、正規型 I D Tを用いて構成する縦結合多重モ一ド SAWフィル夕と本発明の I D T電極を用いて構成する縦結合多重モード S AWフィル夕との従属接続により、通過帯域近傍の減衰傾度を大幅に改善したフィル夕を形成することが可能となり、 SAWフィル夕を製作する上で著しい効果を発揮する。

Claims

請求の範囲

1 . 圧電基板上に配置した幅員 W lの第 1の電極指と、その隣に間隙 g lをおいて配置した幅員 W 2の第 2の電極指と、さらにその隣に間隙 g 2をおいて配置した幅員 W 3の第 3の電極指と、第 1の電極指と第 3の電極指の隣にそれそれ配置した（g 3 ) / 2のスペースとから成る単位区間を複数区間繰り返して構成する表面波変換器であって、前記第 1と第 3の電極指を同相とし第 2の電極指を逆相とすると共に第 1の電極指の幅員 W 1と第 3の電極指の幅員 W 3とを W 1 = W 3とし、間隙 g 1と間隙 g 2とを g 1 = g 2としたことを特徴とする反射反転型弾性表面波変換器。

2 . 請求項 1記載の表面波変換器を表面波の伝搬方向に沿って複数個近接して配置し、その両側に反射器を配設して構成したことを特徴とする縦結合多重モ一ド S AWフィル夕。

3 . 請求項 1記載の表面波変換器を表面波の伝搬方向に沿って複数個近接して配置し、その両側に反射器を配設して構成する縦結合多重モード S AWフィル夕であって、反射器のピッチに対する I D Tのピッチの比を 1より大きくしたことを特徴とする縦結合多重モ一ド S AWフィル夕。

4 . 圧電基板上に配置した I D T電極の単位区間において、該区間内の各電極指端面からの反射べクトルの合成により決まる反射中心と表面電位分布により決まる励振中心との位相差と、同じ圧電基板に正規型 I D T電極を配置した場合の反射中心と表面電位分布により決まる励振中心との位相差とが 1 6 0度から 2 0 0度程度異なることを特徴とする反射反転型弾性表面波変換