JP4419651B2

JP4419651B2 - 高周波素子

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Description

本発明は、高周波信号素子とこの高周波信号素子に直流バイアス電圧を供給するための直流電圧供給手段とを有した高周波素子に関する。

例えば複数の高周波回路ブロックに、同一の直流バイアス電圧を直列、あるいは並列に給電するときに、単純な線路を用いると、直流給電配線上を高周波信号（以下、ＲＦ信号という）が流れ、信号雑音レベルが上がることが予想される。しかしながら、従来、これらの悪影響については十分に配慮されていないか、あるいは無視される場合が殆どであった。このような悪影響を回避したい時には、完全に独立した直流給電回路を用いることになるが、電源に係わるコストの増大を招く。

例えば、ＭＥＭＳ（微小電気機械系）素子を用いて構成した高周波フィルタが提案されているが、このような高周波フィルタでは、直流バイアス電圧が供給されているので、高周波信号の一部が直流給電配線側に迂回することになり、良好なフィルタ特性が得にくい。ＭＥＭＳ素子を利用した高周波フィルタは、ミシガン大学を始めとする研究機関から提案されている（非特許文献１）。
Ｃ．Ｔ．−Ｎｇｕｙｅｎ，Ｍｉｃｒｏｍｅｃｈａｎｉｃａｌｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓｆｏｒｍｉｎｉａｔｕｒｉｚｅｄｌｏｗ−ｐｏｗｅｒｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ（ｉｎｖｉｔｅｄｐｌｅｎａｒｙ），ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ，１９９９ＩＥＥＥＭＴＴ−ＳＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＭｉｃｒｏｗａｖｅＳｙｍｐｏｓｉｕｍＲＦＭＥＭＳＷｏｒｋｓｈｏｐ，Ｊｕｎｅ，１８，１９９９，ｐｐ，４８−７７．

高周波領域の微弱な信号を取り扱うとき、例えば高周波（ＲＦ）信号のフィルタリングを行うとき、信号経路以外の回路を迂回しての信号の漏洩は、フィルタリング後の信号の信号／雑音比を著しく悪化させる。従って、直流（ＤＣ）給電回路などのＲＦ信号線路と電気的な結合をなす回路部分の設置が不可避である素子の場合には、実効的な意味で、信号経路以外の迂回回路を除去することは、最重要な課題である。

さらに、図１３、図１５に示す静電駆動ビーム型のＭＥＭＳ素子を用いた共振器の先行技術の比較例を参照して説明する。図１３はこのＭＥＭＳ静電駆動ビーム型共振器の等価回路を示すものであり、図１５はＭＥＭＳ静電駆動ビーム型共振器の概略構成を示している。

図１３の等価回路で示すＭＥＭＳビーム型共振器１は、高周波信号線路２を信号線路３と接地されるグランド線路４からなるマイクロストリップ線路で構成し、その信号線路３の入出力間に図１５に示すＭＥＭＳビーム型振動子５を挿入し、振動子５の振動電極（駆動部分）と下部電極の入力電極との間にＤＣ電源回路６からの所要のＤＣバイアス電圧を印加して構成される。実際の直流電圧は、接地面と駆動部分との間に印加され、入力電極と接地面との間には高周波（RF）信号が印加される。ＺｓはＭＥＭＳビーム型振動子５の合成インピーダンス、Ｃ1 はＤＣ給電配線７の浮遊容量を夫々示す。

ＭＥＭＳビーム型振動子５は、図１５に示すように、半導体基板１１上に絶縁膜１２を介して下部電極、すなわち入力電極１３及び出力電極１４を形成し、この入出力電極１３、１４に対向して空間１５を挟んで振動板となる電極、いわゆるビーム（梁）１６を形成して構成される。ビーム１６は、入出力電極１３、１４をブリッジ状に跨ぎ、入出力電極１３、１４の外側に配置した配線層１８に接続されるように、両端を支持部（いわゆるアンカー部）１９〔１９ａ，１９ｂ〕で一体に支持される。半導体基板１１の裏面には絶縁膜２１を介してグランド線路となる導電層２２が形成される。

ビーム１６には、ＤＣ給電配線７を介してＤＣ電源回路６が接続され、ビーム１６に所要のＤＣバイアス電圧Ｖ1 が供給される。（電極１３、又は１４にＲＦ信号とＤＣ電圧が重畳されて印加される場合もある。）入力電極１３には入力端子Ｔｉｎが導出され、入力端子Ｔｉｎを通じてＲＦ信号が入力される。出力電極１４には出力端子Ｔｏｕｔが導出され、出力端子Ｔｏｕｔから目的周波数のＲＦ信号が出力される。このＭＥＭＳビーム振動子５では、入力電極１３に高周波信号が入力されると、ＤＣバイアス電圧が供給されたビーム１６と入力電極１３間に生じる静電気的な力でビーム１６が共振し、出力電極１４から目的周波数のＲＦ信号が出力される。

上記構成のＭＥＭＳビーム型共振器１においては、上述の振動子５が複数、例えば１００個が並列化して構成される。ＲＦ信号が入力電極１３から出力電極１４へ伝達されて出力されるとき、ＲＦ信号の一部２０がＤＣ給電配線７を迂回して漏洩し、ＲＦ信号の混信が発生し、共振器特性に悪影響を与える。図１４は、このときのＭＥＭＳビーム型共振器１の透過特性値Ｓ２１（Ｓパラメータ）の周波数依存性を示す。測定した上記ＭＥＭＳビーム型共振器１は、振動子群の中心周波数が９８ＭＨｚであり、振動子５の合成インピーダンスＺｓが直列抵抗Ｒｘ＝５ｋΩ、接地容量Ｃ0 ＝１×１０¹⁵Ｆからなる。振動子５のビーム１６にはＤＣ電源回路６から−３０Ｖを印加した。このＭＥＭＳビーム型共振器１によれば、本来の９８ＭＨｚ付近のピーク２４に加え、この共振ピークの強度と同程度の強度をもつ雑音（いわゆるゴースト）のピーク２５、２６が観測された。

本発明は、上述の点に鑑み、高周波信号の信号経路以外への漏洩を抑制し、高周波信号の信号／雑音比の向上を図った高周波素子を提供するものである。

本発明に係る高周波素子は、複数のＭＥＭＳビーム型振動子を並列化した振動子群を有するフィルタと、振動子群に直流給電配線を介して接続され、複数のＭＥＭＳビーム型振動子の各ビームに直流バイアス電圧を供給する１つの共通した直流電源回路と、フィルタに接続された高周波信号線を有する。さらに本発明は、直流給電配線と振動子群のビームとの間に介挿され、高周波信号線と直流給電配線との間をインピーダンス不整合とする素子を有する。

本発明に係る高周波素子は、複数のＭＥＭＳビーム型振動子を並列化した振動子群による直列振動子と、複数のＭＥＭＳビーム型振動子を並列化した振動子群によるシャント振動子とで構成されたラダー型フィルタと、直列振動子及びシャント振動子に直流給電配線を介して接続され、直列振動子及びシャント振動子を構成する振動子群の複数のＭＥＭＳビーム型振動子の各ビームに直流バイアス電圧を供給する１つの共通した直流電源回路を有する。さらに本発明は、ラダー型フィルタに接続された高周波信号線と、直列振動子のビームと直流給電配線との間、及びシャント振動子のビームと直流給電配線との間にそれぞれ介挿され、高周波信号線と直流給電配線との間をインピーダンス不整合とする素子を有する。

本発明に係る高周波素子は、複数のＭＥＭＳビーム型振動子を並列化した振動子群を有する共振器と、振動子群に直流給電配線を介して接続され、複数のＭＥＭＳビーム型振動子の各ビームに直流バイアス電圧を供給する１つの共通した直流電源回路と、共振器に接続された高周波信号線を有する。さらに本発明は、直流給電配線と振動子群のビームとの間に介挿され、高周波信号線と直流給電配線との間をインピーダンス不整合とする素子を有する。

本発明に係る高周波素子は、複数のＭＥＭＳビーム型振動子のビームが連結された複合ＭＥＭＳビーム型振動子を複数、並列化した振動子群を有する複合振動子型フィルタと、振動子群に直流給電配線を介して接続され、複数のＭＥＭＳビーム型振動子の各ビームに直流バイアス電圧を供給する１つの共通した直流電源回路と、複合振動子型フィルタに接続された高周波信号線を有する。さらに本発明は、直流給電配線と振動子群のビームとの間に介挿され、高周波信号線と直流給電配線との間をインピーダンス不整合とする素子を有する。

本発明に係る高周波素子によれば、複数のＭＥＭＳビーム型振動子を並列化した振動子群と、振動子群に直流給電配線を介して接続され、複数のＭＥＭＳビーム型振動子の各ビームに直流バイアス電圧を供給する１つの共通した直流電源回路を有する。そして、直流給電配線と振動子群のビームとの間に、高周波信号線路と直流給電配線との間をインピーダンス不整合とする素子を介挿することにより、高周波信号の直流給電配線への漏洩が抑制される。従って、直流給電配線を通しての高周波信号の迂回により発生する高周波信号の混信を、最小限にすることができ、高周波信号の信号／雑音比を向上することができる。即ち、信号／雑音比の良好な高周波素子を実現することができる。また、別に独立電源を必要としなので、電源に係わるコスト低減を図ることができる。

本発明に係る高周波素子によれば、複数のＭＥＭＳビーム型振動子を並列化した振動子群による直列振動子とシャント振動子とで構成されたラダー型フィルタと、直列振動子及びシャント振動子に直流給電配線を介して接続され、それぞれの複数のＭＥＭＳビーム型振動子の各ビームに直流バイアス電圧を供給する１つの共通した直流電源回路を有する。そして、直列振動子、シャント振動子のそれぞれと直流給電配線との間に、高周波信号線路と直流給電配線との間をインピーダンス不整合とする素子を介挿することにより、高周波信号の直流給電配線への漏洩が抑制される。従って、直流給電配線を通しての高周波信号の迂回により発生する高周波信号の混信を、最小限にすることができ、高周波信号の信号／雑音比を向上することができる。また、別に独立電源を必要としなので、電源に係わるコスト低減を図ることができる。

本発明に係る高周波素子によれば、複数のＭＥＭＳビーム型振動子を並列化した振動子群を有する共振器と、振動子群に直流給電配線を介して接続され、複数のＭＥＭＳビーム型振動子の各ビームに直流バイアス電圧を供給する１つの共通した直流電源回路を有する。そして、そして、直流給電配線と直流給電配線との間に、高周波信号線路と直流給電配線との間をインピーダンス不整合とする素子を介挿することにより、高周波信号の直流給電配線への漏洩が抑制される。従って、直流給電配線を通しての高周波信号の迂回により発生する高周波信号の混信を、最小限にすることができ、高周波信号の信号／雑音比を向上することができる。また、別に独立電源を必要としなので、電源に係わるコスト低減を図ることができる。

本発明に係る高周波素子によれば、複数のＭＥＭＳビーム型振動子のビームが連結された複合ＭＥＭＳビーム型振動子を複数、並列化した振動子群を有する複合振動子型フィルタと、振動子群に直流給電配線を介して接続され、複数のＭＥＭＳビーム型振動子の各ビームに直流バイアス電圧を供給する１つの共通した直流電源回路を有する。そして、直流給電配線と直流給電配線との間に、高周波信号線路と直流給電配線との間をインピーダンス不整合とする素子を介挿することにより、高周波信号の直流給電配線への漏洩が抑制される。従って、直流給電配線を通しての高周波信号の迂回により発生する高周波信号の混信を、最小限にすることができ、高周波信号の信号／雑音比を向上することができる。また、別に独立電源を必要としなので、電源に係わるコスト低減を図ることができる。

本実施の形態に係わる高周波素子は、１つあるいは複数の高周波回路ブロック（例えば並列振動子）に、直流バイアス電圧を給電する場合に、高周波回路ブロックを適切に分割し、その間を、高周波回路ブロック内のRF信号線路の一部をなす直流給電部から見たRF信号線路のインピーダンスとは異なるインピーダンスで接続する。このような接続方法を用いて直流給電配線を形成すると、高周波回路ブロック内で直流バイアス電圧と高周波信号が混在して印加されている信号線路から、直流給電回路を通じてブロック外への漏洩を最小限に抑制することができる。最良の接続方法は、ローパスフィルタを通じて直流給電配線を接続することであるが、抵抗の差異のみであっても十分な効果を得ることができる。特に、ＭＥＭＳ（微小電気機械系）ビーム型振動子群を用いて高周波素子を構成する場合は、直流給電線路には極めて微小な直流電流しか流れないために、かなり大きな抵抗、例えば数ＭΩの抵抗を振動子群と直流給電配線の間に挿入しても、抵抗による電圧の降下が起こらず、従って効果的なインピーダンス不整合を実現できる。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。

図１は、本発明に係る高周波素子を高周波フィルタに適用した第１実施形態の等価回路である。本実施の形態に係る高周波フィルタは、１段構成のラダー型フィルタである。
本実施の形態のラダー型フィルタ３１は、高周波信号線路３２をマイクロストリップ線路で構成し、その信号線路３３の入力端子Ｔｉｎ及びＴｏｕｔ間に直列に並列化された複数の振動子(振動子群)で構成された振動子３５が接続され、この直列振動子３５の出力側とグランド線路３４間に同様に並列化された複数の振動子(振動子群)で構成されたシャント振動子３６が接続される。この直列振動子３５及びシャント振動子３６は、直流バイアス電圧の供給によって動作するように構成される。このため、直流電圧供給手段、例えば直流電源回路３７と直流給電線路３８を有した直流給電回路が設けられ、直流電源回路３７から直流給電回路、すなわち直流給電配線３８を通じて直列振動子３５及びシャント振動子３６の後述する信号線路３３の一部となる駆動部分に接続される。直流電源回路３７としては、例えば交流から定電圧・直流に変換して供給する回路構成、あるいは直流から電圧変換された定電圧・直流電圧に変換して供給する回路構成とすることができる。

そして、本実施の形態では、特に、この直列振動子３５及びシャント振動子３６における信号線路３３の直流給電端子側から見たインピーダンスと直列給電配線３８のインピーダンスとの間にインピーダンスの不整合が存するよう構成される。すなわち、直列振動子３５及びシャント振動子３６における信号線路３３と、直列給電配線３８との間にインピーダンス不整合を形成するための素子を接続する。この素子としては、本例では抵抗素子Ｒ1 ，Ｒ2 が用いられている。

直列振動子３５及びシャント振動子３６としては、ＭＥＭＳ静電駆動ビーム型振動子で形成される。図２Ａ及びＢに、ＭＥＭＳ静電駆動ビーム型振動子の概略構成を示す。このＭＥＭＳ静電駆動ビーム型振動子５０は、前述と同様に半導体基板４１上に絶縁膜４２を介して下部電極、すなわち入力電極４３及び出力電極４４が形成され、この入力電極４３及び出力電極４４に対向して空間４５を挟んで振動板となるビーム（梁）型の振動電極（以下、ビームという）４６が形成されてなる。ビーム４６は、入出力電極４３，４４をブリッジ状に跨ぎ、入出力電極４３，４４の外側に配置した配線層４８に接続されるように、両端を支持部４９Ａ，４９Ｂで一体に支持される。半導体基板４１の裏面には絶縁膜５１を介して接地されるグランド配線３４となる導電層５２が形成される。

このＭＥＭＳ静電駆動ビーム型振動子５０では、図３に示すように、信号線路３３の一部となる駆動部分４６と接地される配線３４となる導電層５２の間に直流電源回路３７が接続されて、ビーム４６に所要の直流バイアス電圧が印加される。そして、本実施の形態においては、図１及び図３に示すように、インピーダンス不整合を形成するための素子、本例では所要の抵抗値を有する抵抗素子Ｒが直流給電配線３８と信号線路３３の一部となる例えばビーム４６との間に接続される。従って、図１においては、直列振動子３５のビーム４６（図３参照）と直流給電配線３８との間に抵抗素子Ｒ1 が接続され、シャント振動子３６のビーム４６（図３参照）と直流給電配線３８との間に抵抗素子Ｒ2 が接続される。

図１における直列振動子３５は、図２に示すような個別のＭＥＭＳ静電駆動ビーム型振動子５０を複数、例えば４０個並列化して構成される。シャント振動子３６は、複数、例えば１６０個のＭＥＭＳビーム型振動子５０を並列化して構成される。直列振動子３５の合成インピーダンスＺｓは、例えば直列抵抗Ｒｘ＝５ｋΩ、接地Ｃ0 ＝１×１０^１３Ｆからなる。シャント振動子３６の合成インピーダンスＺｐは、例えば直列抵抗Ｒｘ＝１ｋΩ、接地容量Ｃ0 ＝８×１０^１３Ｆからなる。信号線路３３の一部をなすビーム４６と直流給電線路３８間に接続される上記抵抗素子Ｒ1 ，Ｒ2 は、例えば多結晶シリコン膜による細線を用いて形成され、その抵抗値は、例えばＲ1 ，Ｒ2 ＝１ＭΩとすることができる。図１に示された信号線路３３の特性インピーダンスは、シャント振動子３６の合成インピーダンスＺｐと同じに設計される。
本実施の形態の１段ラダー型高周波フィルタ３１は、直列振動子３５及びシャント振動子３６からなる高周波回路ブロックと、直流電源回路３７及び直流給電配線３８を含む直流給電ブロックを同一の半導体チップ上に形成して構成される。

図４〜図７は、図１の等価回路で表される１段構成のラダー型フィルタ３１のフィルタ特性を示す。すなわちシリコン半導体プロセスにより作製されＭＥＭＳビーム型振動子群を用いて構成されたラダー型フィルタ３１を、アドバンテック社製ネットワーク・アナライザ３７６７Ｇを用いて測定した透過特性値Ｓ２１（Ｓパラメータ）の周波数依存性を示す。直列振動子（振動子群）３５及びシャント振動子（振動子群）３６には、共通電源を用い直流−１５Ｖを印加した。直列振動子（振動子群）３５の共振周波数は９８ＭＨｚ、シャント振動子（振動子群）３６の中心周波数は、２ＭＨｚ、３ＭＨｚ、６ＭＨｚ低い、９６MHｚ、９５MHｚ、９２MHｚにそれぞれ設定して測定した。
図４はシャント周波数依存性を示したフィルタ特性（図５〜図７で示す各シャント周波数を変えた曲線を重ねたもの）である。図５、図６、図７はそれぞれシャント振動子３６の中心周波数を９６MHｚ、９５MHｚ、９２MHｚにしたときの図４の要部Ａに対応した拡大周波数特性を示す。図４から明らかなように、いずれのシャント周波数の場合も、ゴースト（雑音）のない略同じ曲線を呈し、特に共振、***振のピーク部分では同じ曲線であり、雑音のない予想通りの周波数特性を示している。シャント振動子３６の効果が不明瞭にしか観測できないのは、ネットワーク・アナライザの入力インピーダンスが５０Ωであるためである。

第１実施形態の１段構成のラダー型フィルタ３１によれば、ＭＥＭＳ静電駆動ビーム型振動子で形成された直列振動子３５及びシャント振動子３６の、信号線路３３の一部をなすビーム４６と直流給電配線３８との間にインピーダンス不整合とする抵抗素子Ｒ1 ，Ｒ2 を接続することにより、直流給電配線３８を通じての高周波信号の迂回が抑制され、フィルタリングされた高周波信号の信号／雑音比を向上することができる。また、複数の独立電源を必要としないので、電源に係わるコストを低減することができる。

図８は、本発明に係る高周波素子を高周波フィルタに適用した第２実施形態の等価回路である。本実施の形態に係る高周波フィルタは、２段構成のラダー型フィルタである。
本実施の形態のラダー型フィルタ６１は、前述と同様にマイクロストリップ線路で構成された高周波信号線路３２に、それぞれ並列化された複数の振動子(振動子群)で構成された直列振動子６５１、６５２とそれぞれ並列化された複数の振動子(振動子群)で構成されたシャント振動子６６１、６６２からなるラダー型フィルタが２段に接続されてなる。すなわち、その信号線路３３の入力端子Ｔ_ＩＮ及び出力端子Ｔｏｕｔ間に直列振動子６５１が接続され、直列振動子６５１の出力側とグランド線路３４間にシャント振動子６６１が接続された１段目のラダー型フィルタが設けられ、その後段に同じく信号線路３３に直列振動子６５２が接続され、直列振動子６５２の出力側とグランド線路３４間にシャント振動子６６２が接続された２段目のラダー型フィルタが設けられる。

各直列振動子６５１、６５２及びシャント振動子６６１、６６２は、直流バイアス電圧の供給によって動作するように構成される。このため、前述と同様に直流電圧供給手段、例えば直流電源回路３７と直流給電線路３８を有した直流給電回路が設けられ、直流電源回路３７から直流給電回路、すなわち直流給電配線３８を通じて直列振動子６５１、６５２及びシャント振動子６６１、６６２の信号線路３３の一部となる振動電極に接続される。

そして、本実施の形態では、特に、この直列振動子６５１、６５２及びシャント振動子６６１、６６２における信号線路３３のインピーダンスと直列給電配線３８のインピーダンスとの間にインピーダンスの不整合が存するよう構成される。すなわち、直列振動子６５１、６５２及びシャント振動子６６１、６６２における信号線路３３と、直列給電配線３８との間にインピーダンス不整合を形成するための素子、例えば抵抗素子Ｒ3 〜Ｒ6 を接続する。

直列振動子６５１、６５２及びシャント振動子６６１、６６２は、前述と同様に図２に示すＭＥＭＳビーム型振動子５０で構成される。そして、１段目の直列振動子６５１のビーム４６と直流給電配線３８との間に抵抗素子Ｒ3 が接続され、シャント振動子６６１のビーム４６と直流給電配線３８との間に抵抗素子Ｒ4 が接続される。また、２段目の直列振動子６５２のビーム４６と直流給電配線３８との間に抵抗素子Ｒ5 が接続され、シャント振動子６６２のビーム４６と直列給電配線３８との間に抵抗素子Ｒ6 が接続される。

図８における直列振動子６６１、６６２は、図２に示すような個別のＭＥＭＳ静電駆動ビーム型振動子５０を複数、例えば１００個並列化して構成される。シャント振動子６６１、６６２は、複数、例えば４００個のＭＥＭＳ静電駆動ビーム型振動子５０を並列化して構成される。直列振動子６５１、６５２のインピーダンスＺｓは、例えば直列抵抗Ｒｘ＝５ｋΩ、接地容量Ｃ0 ＝１×１０^１３Ｆからなる。シャント振動子６６１、６６２のインピーダンスＺｐは、例えば直列抵抗Ｒｘ＝１ｋΩ、接地容量Ｃ0 ＝８×１０^１３Ｆからなる。抵抗素子Ｒ3 ，Ｒ4 ，Ｒ5 ，Ｒ6 は、例えば多結晶シリコン膜による細線を用いて形成され、その抵抗値は、例えばＲ3 ，Ｒ4 ，Ｒ5 ，Ｒ6 ＝１ＭΩとすることができる。図８に示された信号線路３３の特性インピーダンスは、シャント振動子６６１、６６２のインピーダンスＺｐと同じに設計される。
本実施の形態の高周波フィルタ６１は、直列振動子６５１、６５２及びシャント振動子６６１、６６２からなる高周波回路ブロックと、直流電源回路３７及び直流給電配線３８を含む直流給電ブロックを同一の半導体チップ上に形成して構成される。

図９は、図８の等価回路で表される２段構成のラダー型フィルタ６１のフィルタ特性を示す。すなわちシリコン半導体プロセスにより作製されたＭＥＭＳビーム型振動子群を用いて構成されたラダー型フィルタ６１を、アドバンテック社製ネットワーク・アナライザ３７６７Ｇを用いて測定した透過特性値Ｓ２１（Ｓパラメータ）の周波数依存性を示す。直列振動子（振動子群）６５１、６５２及びシャント振動子（振動子群）６６１、６６２には、共通電源を用い直流−１５Ｖを印加した。直列振動子（振動子群）６５１、６５２の共振周波数は９８ＭＨｚ、シャント振動子（振動子群）６６１、６６２の中心周波数は、直列振動子のそれより４ＭＨｚ低い、９４ＭＨｚにそれぞれ設定して測定した。この図９の特性曲線から明らかなように、雑音のない予想通りの周波数特性を示している。シャント振動子６６１、６６２の効果が不明瞭にしか観測できないのは、ネットワーク・アナライザの入力インピーダンスが５０Ωであるためである。

第２実施形態の２段構成のラダー型フィルタ６１によれば、ＭＥＭＳ静電駆動ビーム型振動子で形成された直列振動子６５１、６５２及びシャント振動子６６１、６６２の、信号線路３３の一部となるビーム４６と直流給電配線３８との間にインピーダンス不整合とする抵抗素子Ｒ3 ，Ｒ4 ，Ｒ5 ，Ｒ6 を接続することにより、直流給電配線３８を通じての高周波信号の迂回が抑制され、フィルタリングされた高周波信号の信号／雑音比を向上することができる。また、複数の独立電源を必要としないので、電源に係わるコストを低減することができる。

図１０は、本発明に係る高周波素子を高周波共振器に適用した第３実施形態の等価回路である。本実施の形態に係る高周波共振器７１は、マイクロストリップ線路で構成された高周波信号線路７２の、信号線路７３の入出力端子Ｔｉｎ及びＴｏｕｔ間に並列化された複数の振動子(振動子群)で構成された振動子７５が接続され、この振動子７５を動作させるための直流電源回路７７からの直流給電配線７８と振動子７５の信号線路の一部となるビーム４６（例えば図３の）との間に、実効的にインピーダンスを不整合にする素子、本例ではローパスフィルタ７９を接続して構成される。振動子７５としては、前述と同様に図２のＭＥＭＳビーム型振動子５０で構成される。

図１０における振動子７５は、前述と同様に複数、例えば１００個のＭＥＭＳビーム型振動子５０を並列化して構成される。振動子７５の合成インピーダンスＺｓは、直列抵抗Ｒｘ＝５ｋΩ、接地容量Ｃ0 ＝１×１０^１３Ｆからなる。高周波信号線路７２の信号線路７３の特性インピーダンスは、振動子７５のインピーダンスＺｓと同じに設計される。Ｃ1 は直流給電配線７８の浮遊容量、あるいはローパス回路の一部をなす容量を示す。

図１１は、図１０の等価回路で表された高周波共振器７１の共振特性を示す。すなわち、シリコン半導体プロセスにより作製されたＭＥＭＳ静電駆動ビーム型振動子群５０を用いて構成された高周波共振器７１を、アドバンテック社製ネットワーク・アナライザ３７６７Ｇを用いて測定した透過特性値Ｓ２１（Ｓパラメータ）の周波数依存性を示す。振動子群にはローパスフィルタ７９が組み込まれた直流電源回路７７を用い、直流−２０Ｖを印加した。信号線路７３の一部となる振動子７５のビーム４６と、直流電源回路７７側のローパスフィルタ７９とはワイヤー・ボンド法によりＡｕ細線で接続した。
図１０から明らかなように、雑音のない、９８ＭＨｚ付近にピークを持つ共振曲線が観測できる。

なお、図１０の例では、実効的にインピーダンスを不整合にするための素子として、ローパスフィルタ７９を用いたが、その他、ＬＣ回路、抵抗素子などを用いることもできる。

第３実施形態の高周波共振器７１によれば、ＭＥＭＳ静電駆動ビーム型振動子で形成された振動子７５の、信号線路７３の一部となるビーム４６と直流給電配線７８との間にローパスフィルタ７９を接続することにより、直流給電配線７８を通じての高周波信号の不要反射が抑制され、共振周波数の高周波信号の信号／雑音比を向上することができる。

上例では、本発明を複数のＭＥＭＳ静電駆動ビーム型振動子を電気的な結合で構成したラダー型フィルタあるいは共振器に適用したが、その他、複数のＭＥＭＳビーム型振動子を機械的な結合で構成した複合静電駆動振動子型フィルタに適用することができる。この場合、複合振動子型フィルタを構成する振動子あるいは振動子群への直流バイアス電圧を高周波信号線路のインピーダンスとは不整合な状態で供給するようになす。これによって、上述と同様に、フィルタリングされた高周波信号の信号／雑音比を向上することができ、また、複数の独立電源を必要としないので、電源に係わるコストを低減することができる。

図１２は、本発明に係る高周波素子を高周波共振器に適用した第４実施形態の静電駆動ビーム型振動子である。この静電駆動ビーム型振動子は、上記の複数のＭＥＭＳビーム型振動子を機械的な結合で構成した複合静電駆動振動子型フィルタに相当する。
本実施の形態に係る高周波共振器８１は、図１２Ｂに示す基板８２上に出力となる下部電極８３とこれに空間８４を挟んで対向配置した入力となる上部電極、いわゆるビーム８５とを有した構造のＭＥＭＳフィルタ８６を、図１２Ａに示すように、ビーム８５が並行になるように２つ配列する。この２つのＭＥＭＳフィルタは、その並行する２つのビーム８５[８５Ａ,８５Ｂ]を一部が連結部８６を介して繋がるように形成し、それぞれの下部電極８３[８３Ａ，８３Ｂ]を独立に形成した構造となる。ビーム８５Ａ，８５Ｂを繋げる位置は、振動の節（不動点）を選ぶ。このようにして構成した高周波共振器８１は、一方の下部電極８３Ａが信号の入力となり、他方の下部電極８３Ｂが出力となる。この場合、直流バイアス電圧は、ビーム８５に印加される。
本実施の形態は、例えば、このような構成の複合振動子を複数個並列に設置し、高周波信号を並列的にフィルタリングするように構成することができる。
そして、本実施の形態に係る高周波共振器８１においては、かかる複合振動子型フィルタを構成する振動子あるいは振動子群への直流バイアス電圧を、高周波信号線のインピーダンスとは不整合な状態で供給するなど、前述と同様に構成する。
本実施の形態に係る高周波共振器８１においても、前述と同様の作用効果を奏する。

上述のラダー型フィルタ、複合振動子型フィルタ等の複合的な振動子によるフィルタを構成する場合、隣り合う振動子（並列化された複数の振動子で構成された振動子(振動子群）)間の配線の長さ、複数段のフィルタ間の配線の長さを、取り扱う高周波信号の波長に比較して十分に短くすることにより、高周波信号の遅延に起因する信号歪を抑制することができる。

上例においては、本発明を高周波フィルタ、高周波共振器に適用したが、その他、ビーム型ＭＥＭＳ素子を用いた高周波スイッチ、分配器等の受動素子、ＭＥＭＳ（微小機械システム）等に適用することができる。

上述した本発明の高周波素子は、これらを構成する高周波回路ブロックと、この高周波回路ブロックを動作されるための電源回路ブロックとを、同一のウェハチップ、すなわち１つの半導体チップ上に形成して構成することができる。または、本発明の高周波素子は、例えば高周波回路ブロックを形成した半導体チップと、上記電源回路ブロックを形成した半導体チップとを有して、両チップ間をワイヤーで接続して構成することができる。
また、インピーダンスを不整合にするための手段は、直流電源回路側に挿入してもよく、あるいは高周波信号素子側に挿入してよい。

本発明に係る高周波素子を１段構成のラダー型フィルタに適用した第１実施の形態を示す等価回路図である。Ａ本発明に適用されるＭＥＭＳ静電駆動型ビーム振動子の概略平面図である。Ｂ本発明に適用されるＭＥＭＳ静電駆動型ビーム型振動子の概略断面図である。本発明に係るＭＥＭＳ静電駆動型ビーム型振動子を用いたときの直流電源回路及びインピーダンス不整合とするための手段を接続した概略構成図である。図１の１段構成のラダー型フィルタの透過特性値の周波数依存性を示すフィルタ特性図である。図１の等価回路におけるシャント振動子群の中心周波数を９２ＭＨｚとしたときの図４の要部の拡大図である。図１の等価回路におけるシャント振動子群の中心周波数を９５ＭＨｚとしたときの図４の要部の拡大図である。図１の等価回路におけるシャント振動子群の中心周波数を９６ＭＨｚとしたときの図４の要部の拡大図である。本発明に係る高周波素子を２段構成のラダー型フィルタに適用した第２実施の形態を示す等価回路図である。図８の２段構成のラダー型フィルタの透過特性値の周波数依存性を示すフィルタ特性図である。本発明に係る高周波素子を高周波共振器に適用した第３実施の形態を示す等価回路である。図１０の高周波共振器の透過特性値の周波数依存性を示す特性図である。Ａ，Ｂは、本発明に係る高周波素子を高周波共振器に適用した第４実施の形態を示す平面図及び断面図である。比較例に係る高周波共振器の等価回路図である。図１２の高周波共振器の透過特性値の周波数依存性を示す特性図である。図１２の比較例に適用されるＭＥＭＳ静電駆動ビーム型振動子の概略断面図である。

３１・・１段構成のラダー型フィルタ、３２・・高周波信号線路、３３・・信号線路、３４・・グランド線路、３５・・直列振動子、３６・・シャント振動子、３７・・直流電源回路、３８・・直流給電線路、５０・・ＭＥＭＳビーム型振動子、４１・・半導体基板、４２、５１・・絶縁膜、４３・・入力電極、４４・・出力電極、４５・・空間、４６・・ビーム、４８・・配線層、１９ａ，１９ｂ・・支持部、５２・・グランド線路となる導電層、６１・・２段構成のラダー型フィルタ、６５１、６５２・・直列振動子、６６１、６６２・・シャント振動子、Ｒ1 〜Ｒ6 ・・抵抗素子、７１・・高周波共振器、７２・・高周波信号線路、７３・・信号線路、７４・・グランド線路、７７・・直流電源回路、７８・・直流給電線路、７９・・ローパスフィルタ、Ｃ1 ・・浮遊容量

Claims

複数のＭＥＭＳビーム型振動子を並列化した振動子群を有するフィルタと、
前記振動子群に直流給電配線を介して接続され、前記複数のＭＥＭＳビーム型振動子の各ビームに直流バイアス電圧を供給する１つの共通した直流電源回路と、
前記フィルタに接続された高周波信号線と、
前記直流給電配線と前記振動子群のビームとの間に介挿され、前記高周波信号線と前記直流給電配線との間をインピーダンス不整合とする素子と
を有する高周波素子。
複数のＭＥＭＳビーム型振動子を並列化した振動子群による直列振動子と、複数のＭＥＭＳビーム型振動子を並列化した振動子群によるシャント振動子とで構成されたラダー型フィルタと、
前記直列振動子及びシャント振動子に直流給電配線を介して接続され、前記直列振動子及び前記シャント振動子を構成する前記振動子群の複数のＭＥＭＳビーム型振動子の各ビームに直流バイアス電圧を供給する１つの共通した直流電源回路と、
前記ラダー型フィルタに接続された高周波信号線と、
前記直列振動子のビームと前記直流給電配線との間、及び前記シャント振動子のビームと前記直流給電配線との間にそれぞれ介挿され、前記高周波信号線と前記直流給電配線との間をインピーダンス不整合とする素子と
を有する高周波素子。
複数のＭＥＭＳビーム型振動子を並列化した振動子群を有する共振器と、
前記振動子群に直流給電配線を介して接続され、前記複数のＭＥＭＳビーム型振動子の各ビームに直流バイアス電圧を供給する１つの共通した直流電源回路と、
前記共振器に接続された高周波信号線と、
前記直流給電配線と前記振動子群のビームとの間に介挿され、前記高周波信号線と前記直流給電配線との間をインピーダンス不整合とする素子と
を有する高周波素子。
複数のＭＥＭＳビーム型振動子のビームが連結された複合ＭＥＭＳビーム型振動子を複数、並列化した振動子群を有する複合振動子型フィルタと、
前記振動子群に直流給電配線を介して接続され、前記複数のＭＥＭＳビーム型振動子の各ビームに直流バイアス電圧を供給する１つの共通した直流電源回路と、
前記複合振動子型フィルタに接続された高周波信号線と、
前記直流給電配線と前記振動子群のビームとの間に介挿され、前記高周波信号線と前記直流給電配線との間をインピーダンス不整合とする素子と
を有する高周波素子。
前記フィルタと、前記直流電源回路及び前記直流給電配線を有する直流給電回路と、前記インピーダンス不整合とする素子とが同一のウェハチップ上に形成されている
請求項１記載の高周波素子。
前記ラダー型フィルタと、前記直流電源回路及び前記直流給電配線を有する直流給電回路と、前記インピーダンス不整合とする素子とが同一のウェハチップ上に形成されている
請求項２記載の高周波素子。
前記共振器と、前記直流電源回路及び前記直流給電配線を有する直流給電回路と、前記インピーダンス不整合とする素子とが同一のウェハチップ上に形成されている
請求項３記載の高周波素子。
前記複合振動子型フィルタと、前記直流電源回路及び前記直流給電配線を有する直流給電回路と、前記インピーダンス不整合とする素子とが同一のウェハチップ上に形成されている
請求項４記載の高周波素子。