JP4251409B2 - 弾性表面波フィルタ - Google Patents
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Description
［技術分野］
本発明は、移動体通信などに用いられる弾性表面波（ＳＡＷ）フィルタに関する。
［背景技術］
現在、弾性表面波（ＳＡＷ）フィルタは、小型、軽量であって、調整の必要がない等の利点により移動体通信機器等に多く利用されている。移動体通信機器等において要求される低損失かつ高減衰量の特性を得るためにはＳＡＷ共振子フィルタが適している。
ＳＡＷ共振子フィルタは、入力用櫛形電極（入力用ＩＤＴ）と出力用櫛型電極（出力用ＩＤＴ）と反射器とを有している。ＳＡＷ共振子フィルタは、入力用ＩＤＴ、出力用ＩＤＴ及び反射器からなる電極構造列に閉じ込められた弾性表面波の共振現象を利用し、共振条件を満足する周波数範囲の通過帯域を得ることができる。ＳＡＷ共振子フィルタの帯域幅は圧電基板の電気機械結合係数（ｋ2）に比例する。
ＳＡＷ共振子フィルタとして１個の共振を利用したものの場合には、狭い帯域幅のものしか得ることができない。このため、ＳＡＷ共振子フィルタの帯域幅を広げるためには、複数個の共振を結合して１個の共振で得られる帯域幅より広い帯域幅を得るのが有効である。
例えば、ＩＤＴと反射器によって閉じ込められる弾性表面波の定在波のうち、２個の共振（所謂０次モードの共振と１次モードの共振）を結合して利用すれば、１個の共振を利用した場合に比べて広帯域化することができる。また、３個のＩＤＴを用い、０次モードと２次モードの共振を結合して利用したＳＡＷ共振子フィルタも有効である。
一方、高い減衰量のＳＡＷ共振子フィルタを実現するためには、２つの電極構造列を縦続接続する方法が有効である。
図１に、２つの電極構造列を縦続接続した構造のＳＡＷ共振子フィルタの一例を示す。
第１の電極構造列として、圧電基板上にＮ１対の入出力用ＩＤＴ１を設け、この入出力用ＩＤＴ１の外側に、入出力用ＩＤＴとほぼ同一周期のＮ２対の受信用ＩＤＴ２、２′を設け、さらに受信用ＩＤＴ２、２′の外側に、反射器３、３′を設けている。入力用ＩＤＴ１と受信用ＩＤＴ２、２′とは、隣接する電極指の中心間隔がＬだけ離れて配置されている。
第２の電極構造列として、圧電基板上にＮ１対の入出力用ＩＤＴ１１を設け、この入出力用ＩＤＴ１１の外側に、入出力用ＩＤＴとほぼ同一周期のＮ２対の受信用ＩＤＴ１２、１２′を設け、さらに受信用ＩＤＴ１２、１２′の外側に、反射器１３、１３′を設けている。入出力用ＩＤＴ１１と受信用ＩＤＴ１２、１２′とは、隣接する電極指の中心間隔がＬだけ離れて配置されている。
第１の電極構造列の受信用ＩＤＴ２、２′と、第２の電極構造列の受信用ＩＤＴ１２、１２′とは、配線４、４′を介して接続され、第１の電極構造列と第２の電極構造列とが縦続接続されている。これら配線４、４′は配線５により同電位となっている。なお、配線５は必要に応じて用いられる。
入力信号は１段目の第１の電極構造列の入出力用ＩＤＴ１に入力される。入出力用ＩＤＴ１により励振された弾性表面波は、多重反射した後、受信用ＩＤＴ２、２′で受信される。受信された弾性表面波エネルギは受信用ＩＤＴ２、２′により電気信号に変換され、配線４、４′により２段目の第２電極構造列に伝えられる。
２段目の第２電極構造列では、受信用ＩＤＴ１２、１２′により弾性表面波を励振し、入出力用ＩＤＴ１１で受信する。受信された弾性表面波エネルギは入出力用ＩＤＴ１１により電気信号に変換され、出力される。
このように２つの電極構造列が縦続接続されたＳＡＷ共振子フィルタは、縦続接続面を鏡映面として構造が対称なフィルタ回路となる。このようなフィルタ回路は、図２に示すような、直列腕インピーダンスをＺａ、並列腕インピーダンスをＺｂとする対称格子形回路で表されることが知られている。
図２の対称格子形回路においては、Ｚａ、Ｚｂの絶対値｜Ｚａ｜、｜Ｚｂ｜がそれぞれ極小になるときが、ＳＡＷ共振子フィルタ全体を１つの系と見なした場合の共振となり、Ｚａ、Ｚｂの絶対値｜Ｚａ｜、｜Ｚｂ｜がそれぞれ極大になるときが、ＳＡＷ共振子フィルタ全体を１つの系と見なした場合の***振となる。ＳＡＷ共振子フィルタ内においては、共振に対応した定在波が存在している。
ここで、Ｚａの共振周波数をＺｂの***振周波数に合わせ、Ｚｂの共振周波数をＺａの***振周波数に合わせるような周波数あわせの調整を行うことにより良好なフィルタ特性を得ることが可能となる。
このような方法により広帯域化を図ったＳＡＷ共振子フィルタの従来例として次のようなものが知られている。
特開平６−８５６０５号公報には、広域化に適した弾性表面波フィルタが開示されている。この弾性表面波フィルタは、２ＩＤＴ構造の弾性表面波フィルタを３重モードにすることにより広帯域化を実現しようとしている。しかしながら、この弾性表面波フィルタは２ＩＤＴ構造なので、帯域外スプリアスが大きい場合、ＩＤＴ対数を調整して効果的にスプリアスを低減することができない。
特開昭６４−８２７０６号公報には、損失が少なく、帯域外減衰量が大きい狭帯域の弾性表面波フィルタが開示されている。この弾性表面波フィルタでは、内部反射のピークとすだれ状電極間での反射波ピークとを一致させて２重モードとすることにより低損失化と広帯域化を図っている。しかしながら、２重モード弾性表面波フィルタであるので、十分な低損失化と広帯域化が実現できていない。
特開平５−３１５８８６号公報には、リップルが小さく、帯域外減衰量が大きく広帯域の弾性表面波フィルタが開示されている。電気機械結合係数が１０％以上の圧電基板を用い、入力電極と出力電極の電極指対数を異にすることにより、リップルが小さく広い通過帯域幅を確保し、帯域外減衰量を大きくした弾性表面波フィルタを実現しようとしている。特開平５−３１５８８６号公報では、圧電基板として電気機械結合係数が１０％以上の４１°ＹカットＸ伝搬ニオブ酸リチウム基板を用いているが、例えば、圧電基板として電気機械結合係数が１％のＸカットが４０°以上４５°以下であって、Ｚ伝搬の四ほう酸リチウム基板に適用すると、特開平５−３１５８６６号公報の図９より、比通過帯域幅が０．００３程度しか得られず、十分な広帯域化が実現できない。
特開平５−２６７９９０号公報には、高周波領域において広帯域低損失の弾性表面波フィルタが開示されている。ＩＤＴ間の間隔を規定することにより、高周波領域で広い比帯域を有する縦結合２重モード弾性表面波フィルタを実現しようとしている。しかしながら、２重モード弾性表面波フィルタであるので、低損失化と広帯域化に限界がある。
特開平７ー３８３６９号公報には、通過帯域幅が広く、減衰量の大きい多電極形弾性表面波フィルタが開示されている。３個以上のＩＤＴを用い、ＩＤＴ間の間隔を規定することにより、広帯域で帯域外減衰量の大きい弾性表面波フィルタを実現しようとしている。しかしながら、本願発明者らの検討では、特開平７−３８３６９号公報で規定された範囲では、２重モードと２重モードより大きいモードの範囲を含み、また減衰特性が好ましいとされる４≦ｎ≦６の範囲でも、２重モードと２重モードより大きいモードの範囲にまたがっている。したがって、動作モードに着目した広帯域化の技術は開示されていない。
特開平１−２３１４１７号公報や特開平２−２０２７１０号公報にも、２重モード共振を利用した広い通過帯域特性を有する弾性表面波フィルタが開示されている。しかしながら、２重モード弾性表面波フィルタであるので、低損失化と広帯域化に限界がある。
このように従来は、低損失化と広帯域化を目指しているものの、十分に通過帯域幅が広く、十分に帯域外減衰量が大きい弾性表面波フィルタは実現されていない。
一方、ＳＡＷ共振子フィルタの帯域幅は、圧電基板の電気機械結合係数（ｋ2）に依存している。近年の急激な移動体通信機器の発展により、その使用帯域に適した帯域幅を持つ低損失のフィルタが要求されている。その使用帯域に応じて、水晶、ＬｉＮｂＯ3、ＬｉＴａＯ3等の圧電基板が使い分けられている。
大別すると、電気機械結合係数ｋ2が大きく温度に対する周波数変動が大きい圧電基板と、電気機械結合係数ｋ2が小さく温度に対する周波数変動が小さい圧電基板に分けられる。
後者の、電気機械結合係数ｋ2が小さく温度に対する周波数変動が小さい圧電基板の場合には、ＩＦフィルタ等の狭帯域の用途に適しているが、広い帯域が得られれば実用上大きなメリットがある。
前者の、電気機械結合係数ｋ2が大きく温度に対する周波数変動が大きい圧電基板の場合には、フロントエンド等の広帯域特性が要求される用途に適しているが、更に広い帯域が得られれば通過チャンネル数の増加等の大きな実用上のメリットがある。
このように、現状の弾性表面波フィルタに対し、更に広帯域化を図ることができれば、各圧電基板のメリットを生かしつつ、その用途を広げることが可能である。
しかしながら、従来の弾性表面波フィルタ、特にＳＡＷ共振子フィルタでは、各圧電基板材料の大きなメリットを享受しうるほど広い帯域幅を得ることはできていない。
本発明の目的は、従来より更に帯域幅が広く、しかも、帯域外スプリアスを更に低減した弾性表面波フィルタを提供することにある。
［発明の開示］
本願発明者らは、複数のＩＤＴとその外側に反射器を用い、２段に縦続接続した構造のＳＡＷ共振子フィルタにおいて、入出力用ＩＤＴと受信用ＩＤＴとの間隔に着目し、このＩＤＴ間隔を最適化することにより、対称格子形回路で表わされるＺａ、Ｚｂのそれぞれ３個の共振を励振し、これらを結合させることで従来より広帯域で低スプリアスのＳＡＷ共振子フィルタを得ることができることを見出した。
したがって、本発明の一態様による弾性表面波フィルタは、圧電基板と、前記圧電基板上に形成され、入出力用ＩＤＴと、前記入出力用ＩＤＴの外側に形成された２つの受信用ＩＤＴと、前記２つの受信用ＩＤＴの外側に形成された２つの反射器とを有する第１の電極構造列と、前記圧電基板上に形成され、入出力用ＩＤＴと、前記入出力用ＩＤＴの外側に形成された２つの受信用ＩＤＴと、前記２つの受信用ＩＤＴの外側に形成された２つの反射器とを有し、前記第１の電極構造列と縦続接続された第２の電極構造列とを有する弾性表面波フィルタであって、前記第１の電極構造列と前記第２の電極構造列における、前記入出力用ＩＤＴと前記２つの受信用ＩＤＴの互いに最も近い電極指の中心間であって、弾性表面波の伝搬方向の距離Ｌが、次式
（ｎ／２−０．１０）λ≦Ｌ≦（ｎ／２−０．０２５）λ
ただし、λ：弾性表面波の波長
ｎ：５以下の自然数
を満足することを特徴とする。
上述した弾性表面波フィルタにおいて、前記圧電基板は、四ほう酸リチウム基板であることが望ましい。特に、Ｘカットが４０°以上４５°以下であって、Ｚ伝搬の四ほう酸リチウム基板は、反射率が大きく温度特性に優れているため、共振器型弾性表面波フィルタ用基板として好ましい。
【図面の簡単な説明】
図１は、２つの電極構造列を２段縦続接続したＳＡＷ共振子フィルタの構造の一例を示す図である。
図２は、２つの電極構造列を２段縦続接続したＳＡＷ共振子フィルタの等価回路である対称格子形回路を示す図である。
図３は、入出力用ＩＤＴと受信用ＩＤＴ間の間隔Ｌに対する絶対値｜Ｚａ｜、｜Ｚｂ｜の極小値を示すグラフである。
図４は、入出力用ＩＤＴと受信用ＩＤＴ間の間隔Ｌの式における自然数ｎに対する高周波側のスプリアスレベルを示すグラフである。
図５は、実施例１のＳＡＷ共振子フィルタの挿入損失の周波数特性とシミュレーションにおける｜Ｚａ｜、｜Ｚｂ｜の周波数特性を示すグラフである。
図６は、比較例１のＳＡＷ共振子フィルタの挿入損失の周波数特性とシミュレーションにおける｜Ｚａ｜、｜Ｚｂ｜の周波数特性を示すグラフである。
図７は、実施例２のＳＡＷ共振子フィルタの挿入損失の周波数特性とシミュレーションにおける｜Ｚａ｜、｜Ｚｂ｜の周波数特性を示すグラフである。
図８は、実施例３のＳＡＷ共振子フィルタの挿入損失の周波数特性とシミュレーションにおける｜Ｚａ｜、｜Ｚｂ｜の周波数特性を示すグラフである。
図９は、比較例２のＳＡＷ共振子フィルタの挿入損失の周波数特性とシミュレーションにおける｜Ｚａ｜、｜Ｚｂ｜の周波数特性を示すグラフである。
図１０は、実施例４のＳＡＷ共振子フィルタの挿入損失の周波数特性とシミュレーションにおける｜Ｚａ｜、｜Ｚｂ｜の周波数特性を示すグラフである。
［発明を実施するための最良の形態］
本発明の一実施形態によるＳＡＷ共振子フィルタを図１乃至図４を用いて説明する。
本実施形態では、図１に示すように、２つの電極構造列を２段に縦続接続した構造のＳＡＷ共振子フィルタをモデルとし、電気的等価である図２の対称格子形回路の直列腕インピーダンスＺａと並列腕インピーダンスＺｂをシミュレーションした。
対称格子形回路の直列腕インピーダンスＺａと並列腕インピーダンスＺｂの絶対値｜Ｚａ｜、｜Ｚｂ｜の極小がＳＡＷ共振子フィルタの共振であり、絶対値｜Ｚａ｜、｜Ｚｂ｜の極大がＳＡＷ共振子フィルタの***振であるので、極小、極大の数によりＳＡＷ共振子フィルタ内に発生するＳＡＷ共振の数を知ることができる。
入出力用ＩＤＴ１、１１が５６対、受信用ＩＤＴ２、２′、１２、１２′が４２対、反射器３、３′、１３、１３′が８０本のＳＡＷ共振子フィルタにおいて、入出力用ＩＤＴ１、１１と受信用ＩＤＴ２、２′、１２、１２′間の電極間隔Ｌに対する絶対値｜Ｚａ｜、｜Ｚｂ｜の極小値の変化を図３に示す。ここで、櫛形電極の周期は、約３．６μｍ（＝λ）であり、櫛形電極の各電極指の幅は、約０．９μｍ（＝λ／４）である。
なお、ＩＤＴの櫛型電極の周期は、ひとつの電極指とそれと同じ組の最も近い電極指との距離で定義され、通常この電極指間の中心間距離である。また、入出力用ＩＤＴ１、１１と受信用ＩＤＴ２、２′、１２、１２′との間隔Ｌは、互いに最も近い電極指の中心間であって、弾性表面波の伝搬方向の距離である。
図３の横軸は入出力用ＩＤＴ１、１１と受信用ＩＤＴ２、２′、１２、１２′の間隔Ｌで、縦軸は中心周波数（ｆｃ）で規格化した周波数（ｆ／ｆｃ）である。図３中の点はそれぞれＺａ、Ｚｂの極小点の周波数を示すものである。
Ｚａ、Ｚｂの極小点の内、周波数の高いものから順に、それぞれ、ａ０、ａ１、ａ２、ａ３、…、ｂ０、ｂ１、ｂ２、ｂ３、…、としてある。これら各極小点は共振を表わし、それぞれ第０、第１、第２、第３、…、の共振に対応する。
従来のＳＡＷ共振子フィルタでは、これらから２つの共振を用いて帯域を形成する２重モード共振を利用している。入出力用ＩＤＴと受信用ＩＤＴの間隔Ｌがλ近傍の場合、第１の共振と第２の共振とを用いている。
入出力用ＩＤＴ１、１１と受信用ＩＤＴ２、２′、１２、１２′の間隔Ｌを、従来の値Ｌ＝１／２ｎλ（ｎ＝１、２、３、…：自然数）に比べて狭くすることにより、低周波側にあった第３の共振が高周波側にシフトし、第１の共振も周波数が上昇している。
ここで、入出力用ＩＤＴ１、１と受信用ＩＤＴ２、２′、１２、１２′の間隔Ｌを、次式
（１−０．１）λ≦Ｌ≦（１−０．０２５）λ
すなわち、
０．９λ≦Ｌ≦０．９７５λ
の範囲にすることにより、第１の共振、第２の共振、第３の共振（図３中、ａ１、ａ２、ａ３、ｂ１、ｂ２、ｂ３）が近づいてひとつの広い帯域を形成することができる。
入出力用ＩＤＴと受信用ＩＤＴの間隔Ｌを０．９λより狭くすると、第１の共振が高周波側に移動しすぎて帯域を形成することが困難となり望ましくない。また、入出力用ＩＤＴと受信用ＩＤＴの間隔Ｌを０．９７５λより広くすると、第３の共振が低周波側に移動してスプリアスとなり望ましくない。
Ｚａ、Ｚｂは入出力用ＩＤＴと受信用ＩＤＴの間隔Ｌに対して半波長で周期的に変化する。このため、入出力用ＩＤＴと受信用ＩＤＴの間隔Ｌの値は、０．９〜０．９７５λに対し半波長の整数倍離れていてもよい。
間隔Ｌの値が半波長異なると、通過帯域を形成する共振がずれる。例えば、Ｌ＝１．４〜１．４７５λの範囲においては、図３中のａ０、ａ１、ａ２、ｂ０、ｂ１、ｂ２の共振によって帯域を形成することができる。
したがって、入出力用ＩＤＴと受信用ＩＤＴの間隔Ｌの値は、次式
（ｎ／２−０．１０）λ≦Ｌ≦（ｎ／２−０．０２５）λ （ｎ：自然数）
とすることで、図３に示すように、少なくともＺａの３個の共振とＺｂの２個の共振、又はＺａの２個の共振とＺｂの３個の共振を用いて、従来より広い帯域特性を得ることが可能である。
図４は、入出力用ＩＤＴ１、１１が５８対、受信用ＩＤＴ２、２′１２、１２′が４２対、反射器３、３′、１３、１３′が８０本のＳＡＷ共振子フィルタにおいて、上述した間隔Ｌの式におけるｎを変化した場合の、高周波側のスプリアスレベルの変化を示すグラフである。ここで、櫛形電極の周期は、約３．６μｍ（＝λ）であり、櫛形電極の各電極指の幅は、約０．９μｍ（＝λ／４）である。ｎが大きくなると、高周波側のスプリアスのレベルが大きくなる。ｎが１又は２の場合にはスプリアスレベルは５０ｄＢ程度しかないが、ｎが３、４と大きくなるにしたがって急激に劣化する。ｎが５まではスプリアスレベルが３０ｄＢ以上であるが、ｎが６以上になるとスプリアスレベルが３０ｄＢより小さくなり望ましくない。
したがって、基本的には、ｎ＝１（間隔Ｌがλ／２近傍）とすることが望ましい。しかし、ｎ＝１（間隔Ｌがλ／２近傍）であると、入出力用ＩＤＴと受信用ＩＤＴの間隔を入出力用ＩＤＴや受信用ＩＤＴの間隔より狭くすることになる。入出力用ＩＤＴと受信用ＩＤＴの線幅を１μｍより小さくしなければならなくなる高周波帯（例えば、９００ＭＨｚ帯）で動作する弾性表面波フィルタの場合には、回路形成が困難となるので，ｎ＝２（間隔Ｌがλ近傍）であることが望ましい。
また、第１の共振、第２の共振、第３の共振を全て使うことにより通過帯域を広くすることが可能であるが、通過帯域における平坦性が劣化する場合がある。広帯域化よりも通過帯域における平坦性を重視する場合には、開口長等を調節することにより、Ｚａ、Ｚｂの高周波側又は低周波側の互いに隣接する２個の共振に終端インピーダンスを近づけることにより平坦性を改善することができる。
なお、Ｚａ、Ｚｂの３個の共振に対応して励振される弾性表面波の定在波は、電極構造列が中央の入出力用ＩＤＴに対して対称であるので全ての偶数次の定在波であると思われる。
（実施例１）
圧電基板として４５°ＸカットＺ伝搬のＬｉ2Ｂ4Ｏ7（四ほう酸リチウム）基板を用い、入出力用ＩＤＴ１、１１の対数を５６対、受信用ＩＤＴ２、２′、１２、１２′の対数を４２対、反射器３、３′、１３、１３′の本数を８０本とし、電極指の周期を約３．６μｍ（＝λ）、電極指の幅を約０．９μｍ（＝λ／４）とし、入出力用ＩＤＴ１、１１と受信用ＩＤＴ２、２′、１２、１２′の間隔Ｌを０．９３λ（ｎ＝２）とし、受信用ＩＤＴ２、２′、１２、１２′と反射器３、３′、１３、１３′の間隔を０．９３λとし、反射器３、３′、１３、１３′の周期を約１．０１λとして、図１に示すような９００ＭＨｚ帯のＳＡＷ共振子フィルタを作製した。電極指の規格化膜厚（電極膜厚／波長）は約２％とした。横モードの発生は、入出力用ＩＤＴ１、１１、受信用ＩＤＴ２、２′、１２、１２′にアポダイズを施すことで抑制し、実効開口長は終端インピーダンスが５０Ωとなるように約３５０μｍに設定した。
実施例１のＳＡＷ共振子フィルタの挿入損失の周波数特性とシミュレーションにおける｜Ｚａ｜、｜Ｚｂ｜の周波数特性を図５に示す。図５において、Ｚａ、Ｚｂが極小になる点をａ１、ａ２…、ｂ１、ｂ２…として示した。
実施例１の比帯域幅は約０．７％であり、後述する比較例１の約１．５倍であった。ここで、比帯域幅とは、挿入損失が−３ｄＢにおける通過帯域幅を中心周波数で規格化したものである。図５から明らかなように実施例１のＳＡＷ共振子フィルタは、Ｚａの３個の共振ａ１、ａ２、ａ３と、Ｚｂの３個の共振ｂ１、ｂ２、ｂ３を利用して通過帯域を形成している。図５に示されていないが通過帯域の高周波側のスプリアスが存在し、そのスプリアスレベルは約５０ｄＢであった。
（比較例１）
圧電基板として４５°ＸカットＺ伝搬のＬｉ2Ｂ4Ｏ7基板を用い、入出力用ＩＤＴ１、１１の対数を３８対、受信用ＩＤＴ２、２′、１２、１２′の対数を３４対、反射器３、３′、１３、１３′の本数を８０本とし、電極指の周期を約３．６μｍ（＝λ）、電極指の幅を約０．９μｍ（＝λ／４）とし、入出力用ＩＤＴ１、１１と受信用ＩＤＴ２、２′、１２、１２′の間隔Ｌを１．００λとし、受信用ＩＤＴ２、２′、１２、１２′と反射器３、３′、１３、１３′の間隔を１．００λとし、反射器３、３′、１３、１３′の周期を約１．０１λとして、図１に示すような９００ＭＨｚ帯のＳＡＷ共振子フィルタを作製した。電極指の規格化膜厚（電極膜厚／波長）は約２％とした。横モードの発生は、入出力用ＩＤＴ１、１１、受信用ＩＤＴ２、２′、１２、１２′にアポダイズを施すことで抑制し、実効開口長は終端インピーダンスが５０Ωとなるように約４００μｍに設定した。
なお、比較例１において、入出力用ＩＤＴ１、１１、受信用ＩＤＴ２、２′、１２、１２′の対数が実施例１と異なるのは、入出力用ＩＤＴと受信用ＩＤＴの間隔Ｌを変化させると、Ｚａ、Ｚｂの周波数位置がずれるため、その最適対数が異なるためである。
比較例１のＳＡＷ共振子フィルタの挿入損失の周波数特性とシミュレーションにおける｜Ｚａ｜、｜Ｚｂ｜の周波数特性を図６に示す。図６において、Ｚａ、Ｚｂが極小になる点をａ１、ａ２…、ｂ１、ｂ２…として示した。
比較例１の比帯域幅は約０．５％であり、実施例１の比帯域幅より狭帯域であった。図６から明らかなように実施例１のＳＡＷ共振子フィルタは、Ｚａの２個の共振ａ１、ａ２と、Ｚｂの２個の共振ｂ１、ｂ２を利用して通過帯域を形成している。図６に示されていないが通過帯域の高周波側にスプリアスが存在し、そのスプリアスレベルは約３５ｄＢであり、実施例１よりも劣化した。
（実施例２）
圧電基板として４５°ＸカットＺ伝搬のＬｉ2Ｂ4Ｏ7基板を用い、入出力用ＩＤＴ１、１１の対数を５８対、受信用ＩＤＴ２、２′、１２、１２′の対数を４２対、反射器３、３′、１３、１３′の本数を８０本とし、電極指の周期を約３．６μｍ（＝λ）、電極指の幅を約０．９μｍ（＝λ／４）とし、入出力用ＩＤＴ１、１１と受信用ＩＤＴ２、２′、１２、１２′の間隔Ｌを０．９３λ（ｎ＝２）とし、受信用ＩＤＴ２、２′、１２、１２′と反射器３、３′、１３、１３′の間隔を０．９３λとし、反射器３、３′、１３、１３′の周期を約１．０１λとして、図１に示すような９００ＭＨｚ帯のＳＡＷ共振子フィルタを作製した。電極指の規格化膜厚（電極膜厚／波長）は約２％とした。横モードの発生は、入出力用ＩＤＴ１、１１、受信用ＩＤＴ２、２′、１２、１２′にアポダイズを施すことで抑制し、実効開口長は終端インピーダンスに５０Ωになるように約３５０μｍに設定した。
実施例２のＳＡＷ共振子フィルタの挿入損失の周波数特性とシミュレーションにおける｜Ｚａ｜、｜Ｚｂ｜の周波数特性を図７に示す。図７において、Ｚａ、Ｚｂが極小になる点をａ１、ａ２…、ｂ１、ｂ２…として示した。
実施例２の比帯域幅は約０．７％であり、後述する比較例２の約１．４倍であった。図７から明らかなように実施例２のＳＡＷ共振子フィルタは、Ｚａの３個の共振ａ１、ａ２、ａ３と、Ｚｂの３個の共振ｂ１、ｂ２、ｂ３を利用して通過帯域を形成している。通過帯域の高周波側にスプリアスが存在し、そのスプリアスレベルは約５０ｄＢであった。
（実施例３）
圧電基板として４５°ＸカットＺ伝搬のＬｉ2Ｂ4Ｏ7基板を用い、入出力用ＩＤＴ１、１１の対数を５８対、受信用ＩＤＴ２、２′、１２、１２′の対数を４２対、反射器３、３′、１３、１３′の本数を８０本とし、電極指の周期を約３．６μｍ（＝λ）、電極指の幅を約０．９μｍ（＝λ／４）とし、入出力用ＩＤＴ１、１１と受信用ＩＤＴ２、２′、１２、１２′の間隔Ｌを３．９３λ（ｎ＝８）とし、受信用ＩＤＴ２、２′、１２、１２′と反射器３、３′、１３、１３′の間隔を３．９３λとし、反射器３、３′、１３、１３′の周期を約１．０１λとして、図１に示すような９００ＭＨｚ帯のＳＡＷ共振子フィルタを作製した。電極指の規格化膜厚（電極膜厚／波長）は約２％とした。横モードの発生は、入出力用ＩＤＴ１、１１、受信用ＩＤＴ２、２′、１２、１２′にアポダイズを施すことで抑制し、実効開口長は終端インピーダンスに５０Ωになるように約３５０μｍに設定した。
実施例３のＳＡＷ共振子フィルタの挿入損失の周波数特性とシミュレーションにおける｜Ｚａ｜、｜Ｚｂ｜の周波数特性を図８に示す。図８において、Ｚａ、Ｚｂが極小になる点をａ１、ａ２…、ｂ１、ｂ２…として示した。
実施例３の比帯域幅は約０．７％であり、後述する比較例２の約１．４倍であった。図８から明らかなように実施例３のＳＡＷ共振子フィルタは、Ｚａの３個の共振ａ１、ａ２、ａ３と、Ｚｂの３個の共振ｂ１、ｂ２、ｂ３を利用して通過帯域を形成している。通過帯域の高周波側にスプリアスが存在し、そのスプリアスレベルは約２０ｄＢであった。
入出力用ＩＤＴ１、１１と受信用ＩＤＴ２、２′、１２、１２′の間隔Ｌを１．４３λ（ｎ＝３）、１．９３λ（ｎ＝４）、２．４３λ（ｎ＝５）、２．９３λ（ｎ＝６）、３．４３λ（ｎ＝７）とし、受信用ＩＤＴ２、２′、１２、１２′と反射器３、３′、１３、１３′の間隔を入出力用ＩＤＴ１、１１と受信用ＩＤＴ２、２′、１２、１２′の間隔Ｌに合わせて同様に１．４３λ、１．９３λ、２．４３λ、２．９３λ、３．４３λとしたＳＡＷ共振フィルタを作製した。その他の条件は、実施例２、実施例３と同様にした。
比帯域幅は、ｎ＝２〜８の間では、約０．７％とほぼ一定であり、後述する比較例２の約１．４倍であった。
通過帯域の高周波側のスプリアスのスプリアスレベルのｎの依存性を図４に示す。ｎ＝２で約５０ｄＢのスプリアスレベルが、ｎ＝５で約３０ｄＢ、ｎ＝８で約２０ｄＢと、ｎが大きくなるに従ってスプリアスレベルは劣化する。
（比較例２）
圧電基板として４５°ＸカットＺ伝搬のＬｉ2Ｂ4Ｏ7基板を用い、入出力用ＩＤＴ１、１１の対数を３４対、受信用ＩＤＴ２、２′、１２、１２′の対数を８０対、反射器３、３′、１３、１３′の本数を８０本とし、電極指の周期を約３．６μｍ（＝λ）、電極指の幅を約０．９μｍ（＝λ／４）とし、入出力用ＩＤＴ１、１１と受信用ＩＤＴ２、２′、１２、１２′の間隔Ｌを１．００λとし、受信用ＩＤＴ２、２′、１２、１２′と反射器３、３′、１３、１３′の間隔を１．００λとし、反射器３、３′、１３、１３′の周期を約１．０１λとして、図１に示すような９００ＭＨｚ帯のＳＡＷ共振子フィルタを作製した。電極指の規格化膜厚（電極膜厚／波長）は約２％とした。横モードの発生は、入出力用ＩＤＴ１、１１、受信用ＩＤＴ２、２′、１２、１２′にアポダイズを施すことで抑制し、実効開口長は終端インピーダンスが５０Ωになるように約４００μｍに設定した。
比較例２のＳＡＷ共振子フィルタの挿入損失の周波数特性とシミュレーションにおける｜Ｚａ｜、｜Ｚｂ｜の周波数特性を図９に示す。図９において、Ｚａ、Ｚｂが極小になる点をａ１、ａ２…、ｂ１、ｂ２…として示した。
比較例２の比帯域幅は約０．５％であり、実施例２、実施例３の比帯域幅より狭帯域であった。図９から明らかなように実施例１のＳＡＷ共振子フィルタは、Ｚａの２個の共振ａ１、ａ２と、Ｚｂの２個の共振ｂ１、ｂ２を利用して通過帯域を形成している。通過帯域の高周波側にスプリアスが存在し、そのスプリアスレベルは約３５ｄＢであり、実施例２、実施例３よりも劣化した。
（実施例４）
圧電基板として４５°ＸカットＺ伝搬のＬｉ2Ｂ4Ｏ7基板を用い、入出力用ＩＤＴ１、１１の対数を６６対、受信用ＩＤＴ２、２′、１２、１２′の対数を５０対、反射器３、３′、１３、１３′の本数を４０本とし、電極指の周期を約８．４μｍ（＝λ）、電極指の幅を約２．１μｍ（＝λ／４）とし、入出力用ＩＤＴ１、１１と受信用ＩＤＴ２、２′、１２、１２′の間隔Ｌを０．４１３λ（ｎ＝１）とし、受信用ＩＤＴ２、２′、１２、１２′と反射器３、３′、１３、１３′の間隔を０．４１３λとし、反射器３、３′、１３、１３′の周期を約１．００６λとして、図１に示すような４００ＭＨｚ帯のＳＡＷ共振子フィルタを作製した。電極指の規格化膜厚（電極膜厚／波長）は約２％とした。横モードの発生は、入出力用ＩＤＴ１、１１、受信用ＩＤＴ２、２′、１２、１２′にアポダイズを施すことで抑制し、実効開口長は終端インピーダンスが５０Ωになるように約９００μｍに設定した。
実施例４のＳＡＷ共振子フィルタの挿入損失の周波数特性とシミュレーションにおける｜Ｚａ｜、｜Ｚｂ｜の周波数特性を図１０に示す。図１０において、Ｚａ、Ｚｂが極小になる点をａ１、ａ２…、ｂ１、ｂ２…として示した。
実施例４の比帯域幅は約０．６５％であった。図１０から明らかなように実施例２のＳＡＷ共振子フィルタは、Ｚａの３個の共振ａ１、ａ２、ａ３と、Ｚｂの３個の共振ｂ１、ｂ２、ｂ３を利用して通過帯域を形成している。通過帯域の高周波側にスプリアスが存在し、そのスプリアスレベルは約５０ｄＢであった。
（実施例５）
圧電基板として４５°ＸカットＺ伝搬のＬｉ2Ｂ4Ｏ7基板を用い、入出力用ＩＤＴ１、１１の対数を６６対、受信用ＩＤＴ２、２′、１２、１２′の対数を５０対、反射器３、３′、１３、１３′の本数を４５本とし、電極指の周期を約８．４μｍ（＝λ）、電極指の幅を約２．１μｍ（＝λ／４）とし、反射器３、３′、１３、１３′の周期を約１．０１３λとして、図１に示すような９００ＭＨｚ帯のＳＡＷ共振子フィルタを作製した。電極指の規格化膜厚（電極膜厚／波長）は約２％とした。
入出力用ＩＤＴ１、１１と受信用ＩＤＴ２、２′、１２、１２′の間隔Ｌを０．９１３λ（ｎ＝２）、１．４１３λ（ｎ＝３）、１．９１３λ（ｎ＝４）、２．４１３λ（ｎ＝５）、２．９１３λ（ｎ＝６）、３．４１３λ（ｎ＝７）、３．９１３λ（ｎ＝８）とし、受信用ＩＤＴ２、２′、１２、１２′と反射器３、３′、１３、１３′の間隔を、入出力用ＩＤＴ１、１１と受信用ＩＤＴ２、２′、１２、１２′の間隔Ｌに合わせて同様に０．９１３λ、１．４１３λ、１．９１３λ、２．４１３λ、２．９１３λ、３．４１３λ、３．９１３λと変化させた。
横モードの発生は、入出力用ＩＤＴ１、１１、受信用ＩＤＴ２、２′、１２、１２′にアポダイズを施すことで抑制し、実効開口長は終端インピーダンスに５０Ωになるように約９００μｍに設定した。
比帯域幅は、ｎ＝２〜８の間でわずかに減少し、ｎ＝２で約０．６５％であった比帯域幅は、ｎ＝８で約０．６２％と約９５％となった。通過帯域の高周波側のスプリアスのスプリアスレベルは、ｎ＝２で約５０ｄＢ、ｎ＝５で約３０ｄＢ、ｎ＝８で約２０ｄＢと、ｎが大きくなるに従ってスプリアスレベルは劣化する。
［産業上の利用可能性］
本発明による弾性表面波フィルタは、入出力用ＩＤＴと受信用ＩＤＴ間の距離を所定の範囲に設定することにより、従来より広帯域で、低スプリアスなフィルタを得ることができ、低損失かつ高減衰量の特性が要求される移動体通信等に用いるフィルタとして適している。
本発明は、移動体通信などに用いられる弾性表面波（ＳＡＷ）フィルタに関する。
［背景技術］
現在、弾性表面波（ＳＡＷ）フィルタは、小型、軽量であって、調整の必要がない等の利点により移動体通信機器等に多く利用されている。移動体通信機器等において要求される低損失かつ高減衰量の特性を得るためにはＳＡＷ共振子フィルタが適している。
ＳＡＷ共振子フィルタは、入力用櫛形電極（入力用ＩＤＴ）と出力用櫛型電極（出力用ＩＤＴ）と反射器とを有している。ＳＡＷ共振子フィルタは、入力用ＩＤＴ、出力用ＩＤＴ及び反射器からなる電極構造列に閉じ込められた弾性表面波の共振現象を利用し、共振条件を満足する周波数範囲の通過帯域を得ることができる。ＳＡＷ共振子フィルタの帯域幅は圧電基板の電気機械結合係数（ｋ2）に比例する。
ＳＡＷ共振子フィルタとして１個の共振を利用したものの場合には、狭い帯域幅のものしか得ることができない。このため、ＳＡＷ共振子フィルタの帯域幅を広げるためには、複数個の共振を結合して１個の共振で得られる帯域幅より広い帯域幅を得るのが有効である。
例えば、ＩＤＴと反射器によって閉じ込められる弾性表面波の定在波のうち、２個の共振（所謂０次モードの共振と１次モードの共振）を結合して利用すれば、１個の共振を利用した場合に比べて広帯域化することができる。また、３個のＩＤＴを用い、０次モードと２次モードの共振を結合して利用したＳＡＷ共振子フィルタも有効である。
一方、高い減衰量のＳＡＷ共振子フィルタを実現するためには、２つの電極構造列を縦続接続する方法が有効である。
図１に、２つの電極構造列を縦続接続した構造のＳＡＷ共振子フィルタの一例を示す。
第１の電極構造列として、圧電基板上にＮ１対の入出力用ＩＤＴ１を設け、この入出力用ＩＤＴ１の外側に、入出力用ＩＤＴとほぼ同一周期のＮ２対の受信用ＩＤＴ２、２′を設け、さらに受信用ＩＤＴ２、２′の外側に、反射器３、３′を設けている。入力用ＩＤＴ１と受信用ＩＤＴ２、２′とは、隣接する電極指の中心間隔がＬだけ離れて配置されている。
第２の電極構造列として、圧電基板上にＮ１対の入出力用ＩＤＴ１１を設け、この入出力用ＩＤＴ１１の外側に、入出力用ＩＤＴとほぼ同一周期のＮ２対の受信用ＩＤＴ１２、１２′を設け、さらに受信用ＩＤＴ１２、１２′の外側に、反射器１３、１３′を設けている。入出力用ＩＤＴ１１と受信用ＩＤＴ１２、１２′とは、隣接する電極指の中心間隔がＬだけ離れて配置されている。
第１の電極構造列の受信用ＩＤＴ２、２′と、第２の電極構造列の受信用ＩＤＴ１２、１２′とは、配線４、４′を介して接続され、第１の電極構造列と第２の電極構造列とが縦続接続されている。これら配線４、４′は配線５により同電位となっている。なお、配線５は必要に応じて用いられる。
入力信号は１段目の第１の電極構造列の入出力用ＩＤＴ１に入力される。入出力用ＩＤＴ１により励振された弾性表面波は、多重反射した後、受信用ＩＤＴ２、２′で受信される。受信された弾性表面波エネルギは受信用ＩＤＴ２、２′により電気信号に変換され、配線４、４′により２段目の第２電極構造列に伝えられる。
２段目の第２電極構造列では、受信用ＩＤＴ１２、１２′により弾性表面波を励振し、入出力用ＩＤＴ１１で受信する。受信された弾性表面波エネルギは入出力用ＩＤＴ１１により電気信号に変換され、出力される。
このように２つの電極構造列が縦続接続されたＳＡＷ共振子フィルタは、縦続接続面を鏡映面として構造が対称なフィルタ回路となる。このようなフィルタ回路は、図２に示すような、直列腕インピーダンスをＺａ、並列腕インピーダンスをＺｂとする対称格子形回路で表されることが知られている。
図２の対称格子形回路においては、Ｚａ、Ｚｂの絶対値｜Ｚａ｜、｜Ｚｂ｜がそれぞれ極小になるときが、ＳＡＷ共振子フィルタ全体を１つの系と見なした場合の共振となり、Ｚａ、Ｚｂの絶対値｜Ｚａ｜、｜Ｚｂ｜がそれぞれ極大になるときが、ＳＡＷ共振子フィルタ全体を１つの系と見なした場合の***振となる。ＳＡＷ共振子フィルタ内においては、共振に対応した定在波が存在している。
ここで、Ｚａの共振周波数をＺｂの***振周波数に合わせ、Ｚｂの共振周波数をＺａの***振周波数に合わせるような周波数あわせの調整を行うことにより良好なフィルタ特性を得ることが可能となる。
このような方法により広帯域化を図ったＳＡＷ共振子フィルタの従来例として次のようなものが知られている。
特開平６−８５６０５号公報には、広域化に適した弾性表面波フィルタが開示されている。この弾性表面波フィルタは、２ＩＤＴ構造の弾性表面波フィルタを３重モードにすることにより広帯域化を実現しようとしている。しかしながら、この弾性表面波フィルタは２ＩＤＴ構造なので、帯域外スプリアスが大きい場合、ＩＤＴ対数を調整して効果的にスプリアスを低減することができない。
特開昭６４−８２７０６号公報には、損失が少なく、帯域外減衰量が大きい狭帯域の弾性表面波フィルタが開示されている。この弾性表面波フィルタでは、内部反射のピークとすだれ状電極間での反射波ピークとを一致させて２重モードとすることにより低損失化と広帯域化を図っている。しかしながら、２重モード弾性表面波フィルタであるので、十分な低損失化と広帯域化が実現できていない。
特開平５−３１５８８６号公報には、リップルが小さく、帯域外減衰量が大きく広帯域の弾性表面波フィルタが開示されている。電気機械結合係数が１０％以上の圧電基板を用い、入力電極と出力電極の電極指対数を異にすることにより、リップルが小さく広い通過帯域幅を確保し、帯域外減衰量を大きくした弾性表面波フィルタを実現しようとしている。特開平５−３１５８８６号公報では、圧電基板として電気機械結合係数が１０％以上の４１°ＹカットＸ伝搬ニオブ酸リチウム基板を用いているが、例えば、圧電基板として電気機械結合係数が１％のＸカットが４０°以上４５°以下であって、Ｚ伝搬の四ほう酸リチウム基板に適用すると、特開平５−３１５８６６号公報の図９より、比通過帯域幅が０．００３程度しか得られず、十分な広帯域化が実現できない。
特開平５−２６７９９０号公報には、高周波領域において広帯域低損失の弾性表面波フィルタが開示されている。ＩＤＴ間の間隔を規定することにより、高周波領域で広い比帯域を有する縦結合２重モード弾性表面波フィルタを実現しようとしている。しかしながら、２重モード弾性表面波フィルタであるので、低損失化と広帯域化に限界がある。
特開平７ー３８３６９号公報には、通過帯域幅が広く、減衰量の大きい多電極形弾性表面波フィルタが開示されている。３個以上のＩＤＴを用い、ＩＤＴ間の間隔を規定することにより、広帯域で帯域外減衰量の大きい弾性表面波フィルタを実現しようとしている。しかしながら、本願発明者らの検討では、特開平７−３８３６９号公報で規定された範囲では、２重モードと２重モードより大きいモードの範囲を含み、また減衰特性が好ましいとされる４≦ｎ≦６の範囲でも、２重モードと２重モードより大きいモードの範囲にまたがっている。したがって、動作モードに着目した広帯域化の技術は開示されていない。
特開平１−２３１４１７号公報や特開平２−２０２７１０号公報にも、２重モード共振を利用した広い通過帯域特性を有する弾性表面波フィルタが開示されている。しかしながら、２重モード弾性表面波フィルタであるので、低損失化と広帯域化に限界がある。
このように従来は、低損失化と広帯域化を目指しているものの、十分に通過帯域幅が広く、十分に帯域外減衰量が大きい弾性表面波フィルタは実現されていない。
一方、ＳＡＷ共振子フィルタの帯域幅は、圧電基板の電気機械結合係数（ｋ2）に依存している。近年の急激な移動体通信機器の発展により、その使用帯域に適した帯域幅を持つ低損失のフィルタが要求されている。その使用帯域に応じて、水晶、ＬｉＮｂＯ3、ＬｉＴａＯ3等の圧電基板が使い分けられている。
大別すると、電気機械結合係数ｋ2が大きく温度に対する周波数変動が大きい圧電基板と、電気機械結合係数ｋ2が小さく温度に対する周波数変動が小さい圧電基板に分けられる。
後者の、電気機械結合係数ｋ2が小さく温度に対する周波数変動が小さい圧電基板の場合には、ＩＦフィルタ等の狭帯域の用途に適しているが、広い帯域が得られれば実用上大きなメリットがある。
前者の、電気機械結合係数ｋ2が大きく温度に対する周波数変動が大きい圧電基板の場合には、フロントエンド等の広帯域特性が要求される用途に適しているが、更に広い帯域が得られれば通過チャンネル数の増加等の大きな実用上のメリットがある。
このように、現状の弾性表面波フィルタに対し、更に広帯域化を図ることができれば、各圧電基板のメリットを生かしつつ、その用途を広げることが可能である。
しかしながら、従来の弾性表面波フィルタ、特にＳＡＷ共振子フィルタでは、各圧電基板材料の大きなメリットを享受しうるほど広い帯域幅を得ることはできていない。
本発明の目的は、従来より更に帯域幅が広く、しかも、帯域外スプリアスを更に低減した弾性表面波フィルタを提供することにある。
［発明の開示］
本願発明者らは、複数のＩＤＴとその外側に反射器を用い、２段に縦続接続した構造のＳＡＷ共振子フィルタにおいて、入出力用ＩＤＴと受信用ＩＤＴとの間隔に着目し、このＩＤＴ間隔を最適化することにより、対称格子形回路で表わされるＺａ、Ｚｂのそれぞれ３個の共振を励振し、これらを結合させることで従来より広帯域で低スプリアスのＳＡＷ共振子フィルタを得ることができることを見出した。
したがって、本発明の一態様による弾性表面波フィルタは、圧電基板と、前記圧電基板上に形成され、入出力用ＩＤＴと、前記入出力用ＩＤＴの外側に形成された２つの受信用ＩＤＴと、前記２つの受信用ＩＤＴの外側に形成された２つの反射器とを有する第１の電極構造列と、前記圧電基板上に形成され、入出力用ＩＤＴと、前記入出力用ＩＤＴの外側に形成された２つの受信用ＩＤＴと、前記２つの受信用ＩＤＴの外側に形成された２つの反射器とを有し、前記第１の電極構造列と縦続接続された第２の電極構造列とを有する弾性表面波フィルタであって、前記第１の電極構造列と前記第２の電極構造列における、前記入出力用ＩＤＴと前記２つの受信用ＩＤＴの互いに最も近い電極指の中心間であって、弾性表面波の伝搬方向の距離Ｌが、次式
（ｎ／２−０．１０）λ≦Ｌ≦（ｎ／２−０．０２５）λ
ただし、λ：弾性表面波の波長
ｎ：５以下の自然数
を満足することを特徴とする。
上述した弾性表面波フィルタにおいて、前記圧電基板は、四ほう酸リチウム基板であることが望ましい。特に、Ｘカットが４０°以上４５°以下であって、Ｚ伝搬の四ほう酸リチウム基板は、反射率が大きく温度特性に優れているため、共振器型弾性表面波フィルタ用基板として好ましい。
【図面の簡単な説明】
図１は、２つの電極構造列を２段縦続接続したＳＡＷ共振子フィルタの構造の一例を示す図である。
図２は、２つの電極構造列を２段縦続接続したＳＡＷ共振子フィルタの等価回路である対称格子形回路を示す図である。
図３は、入出力用ＩＤＴと受信用ＩＤＴ間の間隔Ｌに対する絶対値｜Ｚａ｜、｜Ｚｂ｜の極小値を示すグラフである。
図４は、入出力用ＩＤＴと受信用ＩＤＴ間の間隔Ｌの式における自然数ｎに対する高周波側のスプリアスレベルを示すグラフである。
図５は、実施例１のＳＡＷ共振子フィルタの挿入損失の周波数特性とシミュレーションにおける｜Ｚａ｜、｜Ｚｂ｜の周波数特性を示すグラフである。
図６は、比較例１のＳＡＷ共振子フィルタの挿入損失の周波数特性とシミュレーションにおける｜Ｚａ｜、｜Ｚｂ｜の周波数特性を示すグラフである。
図７は、実施例２のＳＡＷ共振子フィルタの挿入損失の周波数特性とシミュレーションにおける｜Ｚａ｜、｜Ｚｂ｜の周波数特性を示すグラフである。
図８は、実施例３のＳＡＷ共振子フィルタの挿入損失の周波数特性とシミュレーションにおける｜Ｚａ｜、｜Ｚｂ｜の周波数特性を示すグラフである。
図９は、比較例２のＳＡＷ共振子フィルタの挿入損失の周波数特性とシミュレーションにおける｜Ｚａ｜、｜Ｚｂ｜の周波数特性を示すグラフである。
図１０は、実施例４のＳＡＷ共振子フィルタの挿入損失の周波数特性とシミュレーションにおける｜Ｚａ｜、｜Ｚｂ｜の周波数特性を示すグラフである。
［発明を実施するための最良の形態］
本発明の一実施形態によるＳＡＷ共振子フィルタを図１乃至図４を用いて説明する。
本実施形態では、図１に示すように、２つの電極構造列を２段に縦続接続した構造のＳＡＷ共振子フィルタをモデルとし、電気的等価である図２の対称格子形回路の直列腕インピーダンスＺａと並列腕インピーダンスＺｂをシミュレーションした。
対称格子形回路の直列腕インピーダンスＺａと並列腕インピーダンスＺｂの絶対値｜Ｚａ｜、｜Ｚｂ｜の極小がＳＡＷ共振子フィルタの共振であり、絶対値｜Ｚａ｜、｜Ｚｂ｜の極大がＳＡＷ共振子フィルタの***振であるので、極小、極大の数によりＳＡＷ共振子フィルタ内に発生するＳＡＷ共振の数を知ることができる。
入出力用ＩＤＴ１、１１が５６対、受信用ＩＤＴ２、２′、１２、１２′が４２対、反射器３、３′、１３、１３′が８０本のＳＡＷ共振子フィルタにおいて、入出力用ＩＤＴ１、１１と受信用ＩＤＴ２、２′、１２、１２′間の電極間隔Ｌに対する絶対値｜Ｚａ｜、｜Ｚｂ｜の極小値の変化を図３に示す。ここで、櫛形電極の周期は、約３．６μｍ（＝λ）であり、櫛形電極の各電極指の幅は、約０．９μｍ（＝λ／４）である。
なお、ＩＤＴの櫛型電極の周期は、ひとつの電極指とそれと同じ組の最も近い電極指との距離で定義され、通常この電極指間の中心間距離である。また、入出力用ＩＤＴ１、１１と受信用ＩＤＴ２、２′、１２、１２′との間隔Ｌは、互いに最も近い電極指の中心間であって、弾性表面波の伝搬方向の距離である。
図３の横軸は入出力用ＩＤＴ１、１１と受信用ＩＤＴ２、２′、１２、１２′の間隔Ｌで、縦軸は中心周波数（ｆｃ）で規格化した周波数（ｆ／ｆｃ）である。図３中の点はそれぞれＺａ、Ｚｂの極小点の周波数を示すものである。
Ｚａ、Ｚｂの極小点の内、周波数の高いものから順に、それぞれ、ａ０、ａ１、ａ２、ａ３、…、ｂ０、ｂ１、ｂ２、ｂ３、…、としてある。これら各極小点は共振を表わし、それぞれ第０、第１、第２、第３、…、の共振に対応する。
従来のＳＡＷ共振子フィルタでは、これらから２つの共振を用いて帯域を形成する２重モード共振を利用している。入出力用ＩＤＴと受信用ＩＤＴの間隔Ｌがλ近傍の場合、第１の共振と第２の共振とを用いている。
入出力用ＩＤＴ１、１１と受信用ＩＤＴ２、２′、１２、１２′の間隔Ｌを、従来の値Ｌ＝１／２ｎλ（ｎ＝１、２、３、…：自然数）に比べて狭くすることにより、低周波側にあった第３の共振が高周波側にシフトし、第１の共振も周波数が上昇している。
ここで、入出力用ＩＤＴ１、１と受信用ＩＤＴ２、２′、１２、１２′の間隔Ｌを、次式
（１−０．１）λ≦Ｌ≦（１−０．０２５）λ
すなわち、
０．９λ≦Ｌ≦０．９７５λ
の範囲にすることにより、第１の共振、第２の共振、第３の共振（図３中、ａ１、ａ２、ａ３、ｂ１、ｂ２、ｂ３）が近づいてひとつの広い帯域を形成することができる。
入出力用ＩＤＴと受信用ＩＤＴの間隔Ｌを０．９λより狭くすると、第１の共振が高周波側に移動しすぎて帯域を形成することが困難となり望ましくない。また、入出力用ＩＤＴと受信用ＩＤＴの間隔Ｌを０．９７５λより広くすると、第３の共振が低周波側に移動してスプリアスとなり望ましくない。
Ｚａ、Ｚｂは入出力用ＩＤＴと受信用ＩＤＴの間隔Ｌに対して半波長で周期的に変化する。このため、入出力用ＩＤＴと受信用ＩＤＴの間隔Ｌの値は、０．９〜０．９７５λに対し半波長の整数倍離れていてもよい。
間隔Ｌの値が半波長異なると、通過帯域を形成する共振がずれる。例えば、Ｌ＝１．４〜１．４７５λの範囲においては、図３中のａ０、ａ１、ａ２、ｂ０、ｂ１、ｂ２の共振によって帯域を形成することができる。
したがって、入出力用ＩＤＴと受信用ＩＤＴの間隔Ｌの値は、次式
（ｎ／２−０．１０）λ≦Ｌ≦（ｎ／２−０．０２５）λ （ｎ：自然数）
とすることで、図３に示すように、少なくともＺａの３個の共振とＺｂの２個の共振、又はＺａの２個の共振とＺｂの３個の共振を用いて、従来より広い帯域特性を得ることが可能である。
図４は、入出力用ＩＤＴ１、１１が５８対、受信用ＩＤＴ２、２′１２、１２′が４２対、反射器３、３′、１３、１３′が８０本のＳＡＷ共振子フィルタにおいて、上述した間隔Ｌの式におけるｎを変化した場合の、高周波側のスプリアスレベルの変化を示すグラフである。ここで、櫛形電極の周期は、約３．６μｍ（＝λ）であり、櫛形電極の各電極指の幅は、約０．９μｍ（＝λ／４）である。ｎが大きくなると、高周波側のスプリアスのレベルが大きくなる。ｎが１又は２の場合にはスプリアスレベルは５０ｄＢ程度しかないが、ｎが３、４と大きくなるにしたがって急激に劣化する。ｎが５まではスプリアスレベルが３０ｄＢ以上であるが、ｎが６以上になるとスプリアスレベルが３０ｄＢより小さくなり望ましくない。
したがって、基本的には、ｎ＝１（間隔Ｌがλ／２近傍）とすることが望ましい。しかし、ｎ＝１（間隔Ｌがλ／２近傍）であると、入出力用ＩＤＴと受信用ＩＤＴの間隔を入出力用ＩＤＴや受信用ＩＤＴの間隔より狭くすることになる。入出力用ＩＤＴと受信用ＩＤＴの線幅を１μｍより小さくしなければならなくなる高周波帯（例えば、９００ＭＨｚ帯）で動作する弾性表面波フィルタの場合には、回路形成が困難となるので，ｎ＝２（間隔Ｌがλ近傍）であることが望ましい。
また、第１の共振、第２の共振、第３の共振を全て使うことにより通過帯域を広くすることが可能であるが、通過帯域における平坦性が劣化する場合がある。広帯域化よりも通過帯域における平坦性を重視する場合には、開口長等を調節することにより、Ｚａ、Ｚｂの高周波側又は低周波側の互いに隣接する２個の共振に終端インピーダンスを近づけることにより平坦性を改善することができる。
なお、Ｚａ、Ｚｂの３個の共振に対応して励振される弾性表面波の定在波は、電極構造列が中央の入出力用ＩＤＴに対して対称であるので全ての偶数次の定在波であると思われる。
（実施例１）
圧電基板として４５°ＸカットＺ伝搬のＬｉ2Ｂ4Ｏ7（四ほう酸リチウム）基板を用い、入出力用ＩＤＴ１、１１の対数を５６対、受信用ＩＤＴ２、２′、１２、１２′の対数を４２対、反射器３、３′、１３、１３′の本数を８０本とし、電極指の周期を約３．６μｍ（＝λ）、電極指の幅を約０．９μｍ（＝λ／４）とし、入出力用ＩＤＴ１、１１と受信用ＩＤＴ２、２′、１２、１２′の間隔Ｌを０．９３λ（ｎ＝２）とし、受信用ＩＤＴ２、２′、１２、１２′と反射器３、３′、１３、１３′の間隔を０．９３λとし、反射器３、３′、１３、１３′の周期を約１．０１λとして、図１に示すような９００ＭＨｚ帯のＳＡＷ共振子フィルタを作製した。電極指の規格化膜厚（電極膜厚／波長）は約２％とした。横モードの発生は、入出力用ＩＤＴ１、１１、受信用ＩＤＴ２、２′、１２、１２′にアポダイズを施すことで抑制し、実効開口長は終端インピーダンスが５０Ωとなるように約３５０μｍに設定した。
実施例１のＳＡＷ共振子フィルタの挿入損失の周波数特性とシミュレーションにおける｜Ｚａ｜、｜Ｚｂ｜の周波数特性を図５に示す。図５において、Ｚａ、Ｚｂが極小になる点をａ１、ａ２…、ｂ１、ｂ２…として示した。
実施例１の比帯域幅は約０．７％であり、後述する比較例１の約１．５倍であった。ここで、比帯域幅とは、挿入損失が−３ｄＢにおける通過帯域幅を中心周波数で規格化したものである。図５から明らかなように実施例１のＳＡＷ共振子フィルタは、Ｚａの３個の共振ａ１、ａ２、ａ３と、Ｚｂの３個の共振ｂ１、ｂ２、ｂ３を利用して通過帯域を形成している。図５に示されていないが通過帯域の高周波側のスプリアスが存在し、そのスプリアスレベルは約５０ｄＢであった。
（比較例１）
圧電基板として４５°ＸカットＺ伝搬のＬｉ2Ｂ4Ｏ7基板を用い、入出力用ＩＤＴ１、１１の対数を３８対、受信用ＩＤＴ２、２′、１２、１２′の対数を３４対、反射器３、３′、１３、１３′の本数を８０本とし、電極指の周期を約３．６μｍ（＝λ）、電極指の幅を約０．９μｍ（＝λ／４）とし、入出力用ＩＤＴ１、１１と受信用ＩＤＴ２、２′、１２、１２′の間隔Ｌを１．００λとし、受信用ＩＤＴ２、２′、１２、１２′と反射器３、３′、１３、１３′の間隔を１．００λとし、反射器３、３′、１３、１３′の周期を約１．０１λとして、図１に示すような９００ＭＨｚ帯のＳＡＷ共振子フィルタを作製した。電極指の規格化膜厚（電極膜厚／波長）は約２％とした。横モードの発生は、入出力用ＩＤＴ１、１１、受信用ＩＤＴ２、２′、１２、１２′にアポダイズを施すことで抑制し、実効開口長は終端インピーダンスが５０Ωとなるように約４００μｍに設定した。
なお、比較例１において、入出力用ＩＤＴ１、１１、受信用ＩＤＴ２、２′、１２、１２′の対数が実施例１と異なるのは、入出力用ＩＤＴと受信用ＩＤＴの間隔Ｌを変化させると、Ｚａ、Ｚｂの周波数位置がずれるため、その最適対数が異なるためである。
比較例１のＳＡＷ共振子フィルタの挿入損失の周波数特性とシミュレーションにおける｜Ｚａ｜、｜Ｚｂ｜の周波数特性を図６に示す。図６において、Ｚａ、Ｚｂが極小になる点をａ１、ａ２…、ｂ１、ｂ２…として示した。
比較例１の比帯域幅は約０．５％であり、実施例１の比帯域幅より狭帯域であった。図６から明らかなように実施例１のＳＡＷ共振子フィルタは、Ｚａの２個の共振ａ１、ａ２と、Ｚｂの２個の共振ｂ１、ｂ２を利用して通過帯域を形成している。図６に示されていないが通過帯域の高周波側にスプリアスが存在し、そのスプリアスレベルは約３５ｄＢであり、実施例１よりも劣化した。
（実施例２）
圧電基板として４５°ＸカットＺ伝搬のＬｉ2Ｂ4Ｏ7基板を用い、入出力用ＩＤＴ１、１１の対数を５８対、受信用ＩＤＴ２、２′、１２、１２′の対数を４２対、反射器３、３′、１３、１３′の本数を８０本とし、電極指の周期を約３．６μｍ（＝λ）、電極指の幅を約０．９μｍ（＝λ／４）とし、入出力用ＩＤＴ１、１１と受信用ＩＤＴ２、２′、１２、１２′の間隔Ｌを０．９３λ（ｎ＝２）とし、受信用ＩＤＴ２、２′、１２、１２′と反射器３、３′、１３、１３′の間隔を０．９３λとし、反射器３、３′、１３、１３′の周期を約１．０１λとして、図１に示すような９００ＭＨｚ帯のＳＡＷ共振子フィルタを作製した。電極指の規格化膜厚（電極膜厚／波長）は約２％とした。横モードの発生は、入出力用ＩＤＴ１、１１、受信用ＩＤＴ２、２′、１２、１２′にアポダイズを施すことで抑制し、実効開口長は終端インピーダンスに５０Ωになるように約３５０μｍに設定した。
実施例２のＳＡＷ共振子フィルタの挿入損失の周波数特性とシミュレーションにおける｜Ｚａ｜、｜Ｚｂ｜の周波数特性を図７に示す。図７において、Ｚａ、Ｚｂが極小になる点をａ１、ａ２…、ｂ１、ｂ２…として示した。
実施例２の比帯域幅は約０．７％であり、後述する比較例２の約１．４倍であった。図７から明らかなように実施例２のＳＡＷ共振子フィルタは、Ｚａの３個の共振ａ１、ａ２、ａ３と、Ｚｂの３個の共振ｂ１、ｂ２、ｂ３を利用して通過帯域を形成している。通過帯域の高周波側にスプリアスが存在し、そのスプリアスレベルは約５０ｄＢであった。
（実施例３）
圧電基板として４５°ＸカットＺ伝搬のＬｉ2Ｂ4Ｏ7基板を用い、入出力用ＩＤＴ１、１１の対数を５８対、受信用ＩＤＴ２、２′、１２、１２′の対数を４２対、反射器３、３′、１３、１３′の本数を８０本とし、電極指の周期を約３．６μｍ（＝λ）、電極指の幅を約０．９μｍ（＝λ／４）とし、入出力用ＩＤＴ１、１１と受信用ＩＤＴ２、２′、１２、１２′の間隔Ｌを３．９３λ（ｎ＝８）とし、受信用ＩＤＴ２、２′、１２、１２′と反射器３、３′、１３、１３′の間隔を３．９３λとし、反射器３、３′、１３、１３′の周期を約１．０１λとして、図１に示すような９００ＭＨｚ帯のＳＡＷ共振子フィルタを作製した。電極指の規格化膜厚（電極膜厚／波長）は約２％とした。横モードの発生は、入出力用ＩＤＴ１、１１、受信用ＩＤＴ２、２′、１２、１２′にアポダイズを施すことで抑制し、実効開口長は終端インピーダンスに５０Ωになるように約３５０μｍに設定した。
実施例３のＳＡＷ共振子フィルタの挿入損失の周波数特性とシミュレーションにおける｜Ｚａ｜、｜Ｚｂ｜の周波数特性を図８に示す。図８において、Ｚａ、Ｚｂが極小になる点をａ１、ａ２…、ｂ１、ｂ２…として示した。
実施例３の比帯域幅は約０．７％であり、後述する比較例２の約１．４倍であった。図８から明らかなように実施例３のＳＡＷ共振子フィルタは、Ｚａの３個の共振ａ１、ａ２、ａ３と、Ｚｂの３個の共振ｂ１、ｂ２、ｂ３を利用して通過帯域を形成している。通過帯域の高周波側にスプリアスが存在し、そのスプリアスレベルは約２０ｄＢであった。
入出力用ＩＤＴ１、１１と受信用ＩＤＴ２、２′、１２、１２′の間隔Ｌを１．４３λ（ｎ＝３）、１．９３λ（ｎ＝４）、２．４３λ（ｎ＝５）、２．９３λ（ｎ＝６）、３．４３λ（ｎ＝７）とし、受信用ＩＤＴ２、２′、１２、１２′と反射器３、３′、１３、１３′の間隔を入出力用ＩＤＴ１、１１と受信用ＩＤＴ２、２′、１２、１２′の間隔Ｌに合わせて同様に１．４３λ、１．９３λ、２．４３λ、２．９３λ、３．４３λとしたＳＡＷ共振フィルタを作製した。その他の条件は、実施例２、実施例３と同様にした。
比帯域幅は、ｎ＝２〜８の間では、約０．７％とほぼ一定であり、後述する比較例２の約１．４倍であった。
通過帯域の高周波側のスプリアスのスプリアスレベルのｎの依存性を図４に示す。ｎ＝２で約５０ｄＢのスプリアスレベルが、ｎ＝５で約３０ｄＢ、ｎ＝８で約２０ｄＢと、ｎが大きくなるに従ってスプリアスレベルは劣化する。
（比較例２）
圧電基板として４５°ＸカットＺ伝搬のＬｉ2Ｂ4Ｏ7基板を用い、入出力用ＩＤＴ１、１１の対数を３４対、受信用ＩＤＴ２、２′、１２、１２′の対数を８０対、反射器３、３′、１３、１３′の本数を８０本とし、電極指の周期を約３．６μｍ（＝λ）、電極指の幅を約０．９μｍ（＝λ／４）とし、入出力用ＩＤＴ１、１１と受信用ＩＤＴ２、２′、１２、１２′の間隔Ｌを１．００λとし、受信用ＩＤＴ２、２′、１２、１２′と反射器３、３′、１３、１３′の間隔を１．００λとし、反射器３、３′、１３、１３′の周期を約１．０１λとして、図１に示すような９００ＭＨｚ帯のＳＡＷ共振子フィルタを作製した。電極指の規格化膜厚（電極膜厚／波長）は約２％とした。横モードの発生は、入出力用ＩＤＴ１、１１、受信用ＩＤＴ２、２′、１２、１２′にアポダイズを施すことで抑制し、実効開口長は終端インピーダンスが５０Ωになるように約４００μｍに設定した。
比較例２のＳＡＷ共振子フィルタの挿入損失の周波数特性とシミュレーションにおける｜Ｚａ｜、｜Ｚｂ｜の周波数特性を図９に示す。図９において、Ｚａ、Ｚｂが極小になる点をａ１、ａ２…、ｂ１、ｂ２…として示した。
比較例２の比帯域幅は約０．５％であり、実施例２、実施例３の比帯域幅より狭帯域であった。図９から明らかなように実施例１のＳＡＷ共振子フィルタは、Ｚａの２個の共振ａ１、ａ２と、Ｚｂの２個の共振ｂ１、ｂ２を利用して通過帯域を形成している。通過帯域の高周波側にスプリアスが存在し、そのスプリアスレベルは約３５ｄＢであり、実施例２、実施例３よりも劣化した。
（実施例４）
圧電基板として４５°ＸカットＺ伝搬のＬｉ2Ｂ4Ｏ7基板を用い、入出力用ＩＤＴ１、１１の対数を６６対、受信用ＩＤＴ２、２′、１２、１２′の対数を５０対、反射器３、３′、１３、１３′の本数を４０本とし、電極指の周期を約８．４μｍ（＝λ）、電極指の幅を約２．１μｍ（＝λ／４）とし、入出力用ＩＤＴ１、１１と受信用ＩＤＴ２、２′、１２、１２′の間隔Ｌを０．４１３λ（ｎ＝１）とし、受信用ＩＤＴ２、２′、１２、１２′と反射器３、３′、１３、１３′の間隔を０．４１３λとし、反射器３、３′、１３、１３′の周期を約１．００６λとして、図１に示すような４００ＭＨｚ帯のＳＡＷ共振子フィルタを作製した。電極指の規格化膜厚（電極膜厚／波長）は約２％とした。横モードの発生は、入出力用ＩＤＴ１、１１、受信用ＩＤＴ２、２′、１２、１２′にアポダイズを施すことで抑制し、実効開口長は終端インピーダンスが５０Ωになるように約９００μｍに設定した。
実施例４のＳＡＷ共振子フィルタの挿入損失の周波数特性とシミュレーションにおける｜Ｚａ｜、｜Ｚｂ｜の周波数特性を図１０に示す。図１０において、Ｚａ、Ｚｂが極小になる点をａ１、ａ２…、ｂ１、ｂ２…として示した。
実施例４の比帯域幅は約０．６５％であった。図１０から明らかなように実施例２のＳＡＷ共振子フィルタは、Ｚａの３個の共振ａ１、ａ２、ａ３と、Ｚｂの３個の共振ｂ１、ｂ２、ｂ３を利用して通過帯域を形成している。通過帯域の高周波側にスプリアスが存在し、そのスプリアスレベルは約５０ｄＢであった。
（実施例５）
圧電基板として４５°ＸカットＺ伝搬のＬｉ2Ｂ4Ｏ7基板を用い、入出力用ＩＤＴ１、１１の対数を６６対、受信用ＩＤＴ２、２′、１２、１２′の対数を５０対、反射器３、３′、１３、１３′の本数を４５本とし、電極指の周期を約８．４μｍ（＝λ）、電極指の幅を約２．１μｍ（＝λ／４）とし、反射器３、３′、１３、１３′の周期を約１．０１３λとして、図１に示すような９００ＭＨｚ帯のＳＡＷ共振子フィルタを作製した。電極指の規格化膜厚（電極膜厚／波長）は約２％とした。
入出力用ＩＤＴ１、１１と受信用ＩＤＴ２、２′、１２、１２′の間隔Ｌを０．９１３λ（ｎ＝２）、１．４１３λ（ｎ＝３）、１．９１３λ（ｎ＝４）、２．４１３λ（ｎ＝５）、２．９１３λ（ｎ＝６）、３．４１３λ（ｎ＝７）、３．９１３λ（ｎ＝８）とし、受信用ＩＤＴ２、２′、１２、１２′と反射器３、３′、１３、１３′の間隔を、入出力用ＩＤＴ１、１１と受信用ＩＤＴ２、２′、１２、１２′の間隔Ｌに合わせて同様に０．９１３λ、１．４１３λ、１．９１３λ、２．４１３λ、２．９１３λ、３．４１３λ、３．９１３λと変化させた。
横モードの発生は、入出力用ＩＤＴ１、１１、受信用ＩＤＴ２、２′、１２、１２′にアポダイズを施すことで抑制し、実効開口長は終端インピーダンスに５０Ωになるように約９００μｍに設定した。
比帯域幅は、ｎ＝２〜８の間でわずかに減少し、ｎ＝２で約０．６５％であった比帯域幅は、ｎ＝８で約０．６２％と約９５％となった。通過帯域の高周波側のスプリアスのスプリアスレベルは、ｎ＝２で約５０ｄＢ、ｎ＝５で約３０ｄＢ、ｎ＝８で約２０ｄＢと、ｎが大きくなるに従ってスプリアスレベルは劣化する。
［産業上の利用可能性］
本発明による弾性表面波フィルタは、入出力用ＩＤＴと受信用ＩＤＴ間の距離を所定の範囲に設定することにより、従来より広帯域で、低スプリアスなフィルタを得ることができ、低損失かつ高減衰量の特性が要求される移動体通信等に用いるフィルタとして適している。
Claims (2)
- 四ほう酸リチウム基板である圧電基板と、
前記圧電基板上に形成され、入出力用ＩＤＴと、前記入出力用ＩＤＴの外側に形成された２つの受信用ＩＤＴと、前記２つの受信用ＩＤＴの外側に形成された２つの反射器とを有する第１の電極構造列と、
前記圧電基板上に形成され、入出力用ＩＤＴと、前記入出力用ＩＤＴの外側に形成された２つの受信用ＩＤＴと、前記２つの受信用ＩＤＴの外側に形成された２つの反射器とを有し、前記第１の電極構造列と縦続接続された第２の電極構造列とを有する弾性表面波フィルタであって、
前記第１の電極構造列と前記第２の電極構造列における、前記入出力用ＩＤＴと前記２つの受信用ＩＤＴの互いに最も近い電極指の中心間であって、弾性表面波の伝搬方向の距離Ｌが、次式
（ｎ／２−０．１０）λ≦Ｌ≦（ｎ／２−０．０２５）λ
ただし、λ：弾性表面波の波長
ｎ：５以下の自然数
を満足することを特徴とする弾性表面波フィルタ。 - 請求項１記載の弾性表面波フィルタにおいて、
前記圧電基板は、Ｘカットが４０°以上４５°以下であって、Ｚ伝搬の四ほう酸リチウム基板であることを特徴とする弾性表面波フィルタ。
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