JP3266846B2 - 反射反転型弾性表面波変換器及びフィルタ - Google Patents

反射反転型弾性表面波変換器及びフィルタ

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JP3266846B2 JP02391898A JP2391898A JP3266846B2 JP 3266846 B2 JP3266846 B2 JP 3266846B2 JP 02391898 A JP02391898 A JP 02391898A JP 2391898 A JP2391898 A JP 2391898A JP 3266846 B2 JP3266846 B2 JP 3266846B2
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は弾性表面波変換器
(以下、IDT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
域側に生ずる減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。
【0002】
【従来の技術】近年、弾性表面波デバイス(以下、SA
W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−3次縦結合二重モードSAWフィルタ(以下、二
重モードSAWフィルタと称す)の電極パターンの一例
を示す平面図であって、圧電基板11の主面上に表面波
の伝搬方向に沿って3つの正規型IDT12、IDT1
3及びIDT14を近接配置し、これらIDTの両側に
反射器15a、15bを配設したものである。IDT1
2、13、14はそれぞ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、IDT
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、IDT13とIDT14
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、IDT13とIDT14の他方のくし形電極は互い
に接続して接地する。
【0003】図5(a)に示す二重モードSAWフィル
タの動作は、周知のように、IDT12、13、14に
よって励起される複数の表面波が反射器15a、15b
の間に閉じ込められ、前記IDT12、13、14の間
で音響結合を生ずる結果、1次と3次の2の縦共振モー
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フィルタとして動作する。なお、該二
重モードSAWフィルタの通過帯域は1次共振モードと
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フィルタを圧電
基板上に複数個併置し、それらを縦続接続してフィルタ
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。
【0004】図5(a)に示すIDT電極パターンを用
いた一例として、圧電基板に36゜YカットX伝搬のL
iTaO3を用い、IDT12を18対、IDT13、
14を各18対、反射器を各500本、反射器のピッチ
に対するIDTのピッチの比Lt/LRを0.990と
し、中心周波数1.5GHz、必要帯域幅24MHzの
二重モードSAWフィルタ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。
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
正規型IDT電極パターンを用いて広帯域の二重モード
SAWフィルタを実現しようとすると、図5(b)に示
したフィルタ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13dB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15a、15
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ードSA
Wフィルタを縦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続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った。
【0005】また、最近では、周波数有効利用の必要性
からチャネル間隔の挟帯域化の要請があり、使用するフ
ィルタに対しても低損失、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SAWフィルタでは、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
ー型SAWフィルタ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アスを改善したIDT
電極の構造及びそれを用いたSAWデバイスを提供する
ことを目的とする。
【0006】
【課題を解決するための手段】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W1の第1の
電極指と、その隣に間隙g1をおいて配置した幅員W2
の第2の電極指と、さらにその隣に間隙g2をおいて配
置した幅員W3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ぞれ配置した(g3)/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
W1と第3の電極指の幅員W3とをW1=W3とし、間
隙g1と間隙g2とをg1=g2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
発明は、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縦結合多重モードS
AWフィルタである。請求項3記載の発明は、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する
縦結合多重モードSAWフィルタであって、反射器のピ
ッチに対するIDT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ードSAWフィルタ。請求
項4記載の発明は、圧電基板上に配置したIDT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
ベクトルを合成した合成ベクトルの位相が正位相となる
ことを特徴とする反射反転型弾性表面波変換器である。
【0007】
【発明の実施の形態】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IDT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IDT電極の
一構成例を示したものであり、それぞれ互いに間挿し合
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λは前記IDT電極によって励
起される表面波の波長であり、該波長λは前記IDT電
極の連続する任意の電極指16の中央から電極指18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、IDT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IDT電極は幅の
等しい電極指がλ/2周期で並んでおり、任意のIDT
電極指中央を基準とした1対(1基本単位で電極指2本
で構成)あたりの反射係数Γ2(反射ベクトル)を図7
(a)、(b)を用いて説明する。
【0008】図7(a)に示すように任意のIDT電極
の1波長λ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R1〜R4とする(ここで記
号R1〜R4はそれぞ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R1〜R4からの反射ベクトルは、図7
(b)に示すように、エッジ面R1、R3からの反射ベ
クトルR1、R3はそれぞれ等しく、即ち大きさと位相
角が同じとなり、エッジ面R2、R4からの反射ベクト
ルR2、R4はそれぞれ等しくなる。従って、図7
(b)に示すように4つの反射ベクトルR1〜R4を合
成した反射ベクトルが1基本単位(1対)当たりの反射
ベクトルΓ2となり、電極指の中央を基準としたとき−
π/2の位相となっている。
【0009】即ち、所謂反射中心は反射係数の位相が−
π/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IDT電極
指を多数ならべた周期構造(SAW共振子、SAW共振
型フィルタ等)では、その周期的な反射のためにストッ
プバ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SAW共振子やS
AWフィルタを構成する。
【0010】「モード結合理論を用いたIDTの特性解
析法」(第21回EMシンポジウム、p.87-94、1992)に
示されているように、正規型IDT電極によって形成さ
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、それぞれの定在波の腹(又は節)の位
置がπ/2ずれている。図8は正規型IDT電極のスト
ップバンドの両端(下端および上端)におけるそれぞれ
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バ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IDT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λ)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λ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□印は反射中心を示し、○印は励振中心
を示している。
【0011】図8に示すように、励振中心(○印)と反
射中心(□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
IDTを用いた従来の縦結合多重モードSAWフィルタ
では、強勢に励振されるストップバンド下端の最低次の
共振周波数(f1)と、その縦の高次モードの共振周波
数(fn)とを用いてフィルタを構成している。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
f1、f3を用いた二重モードSAWフィルタの濾波特
性と、IDT及び反射器Refの反射係数Г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
IDT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IDTのそれより低くなっている。
【0012】図1(a)は本発明に係るIDT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g1をおいて幅員W2の第2の電
極指2と、図中右方に間隙g2をおいて幅員W3の第3
の電極指3と、電極指1と3の両側の(g3)/2のス
ペースから成る単位区間、即ち一波長λ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W1と
第3の電極指3の幅員W3とをW1=W3とし、第1の
電極指1と第2の電極指2との間隙g1と、第2の電極
指2と第3の電極指3との間隙g2とをg1=g2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。
【0013】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ID
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λ当たり電極指を3本とし
たIDT電極の単位区間当たりの反射係数Γ1(反射ベ
クトル)を求める。図2(a)に示すようにIDT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E1〜E6からの反射ベクトルE1〜E6(E
iはエッジ面を示すと同時にそのエッジからの反射ベク
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つの反射ベクトルE1〜E6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E1〜E6の
合成ベクトルは、図2(b)に示すように反射ベクトル
Г1となる。
【0014】反射ベクトルГ1は、図7(b)に示した
正規型IDT電極の反射ベクトルГ2とは異なり、電極
指2中央においてπ/2の位相を示している。従って、
両者の位相はπ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λ/4だけ離
れた位置になる。即ち、本発明に係るIDT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ぞ
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λ/4だけずれた
のに伴い各定在波分布もそれぞれ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ぞれの腹と節の位
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(○印)は第2の電極指2の中心に位置し、反射中
心(□印)は第2の電極指2の中央からλ/4離れた位
置になる。
【0015】従って、一点鎖線で示すストップバンド上
端の周波数における定在波の腹が、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。
【0016】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IDT電極構成を用いるとストップバ
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、シミュ
レーショ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ードを複数個用いて縦結合
多重モードSAWフィルタを構成することが出来る。図
4に示すフィルタ特性は、本発明になるIDT電極3個
を圧電基板上に表面波の伝搬方向に近接して配設し、そ
の両側に反射器を配して構成した縦結合二重モードSA
Wフィルタの周波数特性である。
【0017】図4に示したフィルタの諸パラメータにつ
いて述べると、図5(b)に示した正規型フィルタでは
正負電極指で1対であるが、本発明のIDT電極におい
ては3つの電極指(1波長λ当たり)で正規型フィルタ
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)に示したフィルタあるいは図4に示し
たフィルタにおいても一定とし、反射器のピッチに対す
るIDTのピッチの比Lt/LRを図4のフィルタでは
1.015とした。それ以外のパラメータは、図5
(b)に示したパラメータと同じである。ただ、本実施
例では、第2の電極指の幅員W2を第1及び第3の電極
指の幅員W1、W3(W1=W3)より幅狭に形成、即
ち、 W1=W3>W2とした。本発明になるIDT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タ特性とは異なり、通過域近
傍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SAWフィ
ルタが示す減衰傾度のダレが現れることになる。
【0018】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π/2ずらす(反射合成ベクトルの
位相をπ変える)ことにより、正規型IDT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ID
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IDT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
性を有するフィルタ(または共振子)が実現できること
になる。本発明のIDT電極を縦結合多重モードSAW
フィルタ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衰量のダレを解消したフィルタが
実現できることになる。
【0019】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タの要求がある場合、従来のよ
うに縦続接続構成することなく、本発明のIDT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IDT電極を用いて縦結合多重モ
ードSAWフィルタ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IDT電極を用いた多重モードSAWフ
ィルタと、従来の正規型電極を用いた多重モードSAW
フィルタ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カットオフ特性としたフィルタを
実現できる。このように構成された複合モードフィルタ
はラダー型フィルタとは異なり、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。
【0020】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
DT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−π/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Al電極と128°Y−XLiNbO3
の組み合わせでは、電極膜厚が約3.5%λ以上におい
ては、正規型IDT電極であっても反射中心は電極指中
央からλ/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IDT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。
【0021】
【発明の効果】本発明は、以上説明したように構成した
ので、本発明のIDT電極を用いて構成した縦結合多重
モードSAWフィルタは通過帯域近傍の高域側において
良好な減衰傾度をしめす。また、正規型IDTを用いて
構成する縦結合多重モードSAWフィルタと本発明のI
DT電極を用いて構成するで縦結合多重モードSAWフ
ィルタ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タを形成することが可能となり、
SAWフィルタを製作する上で著しい効果を発揮する。
【図面の簡単な説明】
【図1】(a)本発明の電極構造の一部を示す平面図
で、(b)はその電極上の表面電位をしめした断面図で
ある。
【図2】(a)は本発明に係るIDT電極1波長に配列
した3つのIDT電極指の6個のエッジ面を示す。
(b)は前記6個のエッジ面における反射ベクトルE1
〜E6とその合成ベクトルΓ1を示す。
【図3】本発明になるIDT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(○印)及び
反射中心(□印)を示す図である。
【図4】本発明に係るIDT電極を用いて構成した縦結
合二重モードSAWフィルタの周波数特性を示す図であ
る。
【図5】(a)従来の1次−3次縦結合二重モードSA
Wフィルタの構成を示す一平面図、(b)はその周波数
特性である。
【図6】(a)連続周期構造の正規型IDT電極の一部
を示す平面図、(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R1〜R4を示す図、(b)は4つの反射面
の反射ベクトルR1〜R4とその合成ベクトルΓ2を示
す図である。
【図8】正規型IDT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)、駆動力分布(破線)、励振中心(○印)及び
反射中心(□印)を示す図である。
【図9】(a)は1次−3次縦結合二重モードSAWフ
ィルタの濾波特性、(b)はIDT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f1、f3の関係を示した図である。
【符号の説明】
1・・第1の電極指 2・・第2の電極指 3・・第3の電極指 W1、W2、W3・・それぞれ第1、第2、第3の電極
指の幅員 g1、g2、g3・・それそれ第1と第2の電極指間の
間隙、第2と第3の電極指間の間隙、第3の電極指と次
の周期の電極指との間隙 λ・・励起される表面波の波長 E1、E2、E3、E4、E5、E6・・第1第2、第
3の電極指の両エッジ面、およびそれらの面からの反射
ベクトル Г1・・反射ベクトルE1〜E6の合成ベクトル A−A・・断面図を示す分割線 C・・第2電極指の中央を示す ○ ・・励振中心 □ ・・反射中心

Claims (4)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 圧電基板上に配置した幅員W1の第1の
    電極指と、その隣に間隙g1をおいて配置した幅員W2
    の第2の電極指と、さらにその隣に間隙g2をおいて配
    置した幅員W3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ぞれ配置した(g3)/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
    W1と第3の電極指の幅員W3とをW1=W3とし、間
    隙g1と間隙g2とをg1=g2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
    ードSAWフィルタ。
  3. 【請求項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SAWフィル
    タであって、反射器のピッチに対するIDT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ー
    ドSAWフィルタ。
  4. 【請求項4】 圧電基板上に配置したIDT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ベク
    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
    DT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π(180度)異なる
    ことを特徴とする反射反転型弾性表面波変換器。
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