JP4599758B2

JP4599758B2 - 弾性表面波共振子及びラダー型弾性表面波フィルタ

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Publication number: JP4599758B2
Application number: JP2001154030A
Authority: JP
Inventors: 康秀小野澤
Original assignee: Miyazaki Epson Corp
Current assignee: Miyazaki Epson Corp
Priority date: 2001-05-23
Filing date: 2001-05-23
Publication date: 2010-12-15
Anticipated expiration: 2021-05-23
Also published as: JP2002353769A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は弾性表面波デバイスに関し、特に狭帯域ラダー型弾性表面波フィルタに用いられる弾性表面波共振子（以下、ＳＡＷ共振子と称す）に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、弾性表面波フィルタ（以下、ＳＡＷフィルタと称す）は通信分野で広く利用され、高性能、小型、量産性等の優れた特徴を有することから特に携帯電話機等に多く用いられている。ＳＡＷフィルタの１つにラダー型弾性表面波フィルタ（以下、ラダー型ＳＡＷフィルタと称す）があり、急峻な減衰特性、低損失等の特性を有するため、携帯電話用ＲＦフィルタ等に広く用いられている。
例えば、欧州の１．８ＧＨｚ携帯電話システム（ＤＣＳ）には、送受とも帯域幅が７５ＭＨｚ（比帯域幅で４．３％）という広帯域ＲＦフィルタが用いられている。一方、複数の航行衛星から電波を受信し、地上の位置情報を高精度に求めるＧＰＳ装置には、中心周波数が１．５ＧＨｚ、帯域幅が２ＭＨｚ（比帯域幅で０．１２％）という狭帯域のＳＡＷフィルタが要求されている。
【０００３】
図５（ａ）はラダー型ＳＡＷフィルタの基本区間の構成を示す図であって、並列腕のＳＡＷ共振子Ｚｐと直列腕のＳＡＷ共振子Ｚｓとから構成され、それぞれの腕のリアクタンス曲線は同図（ｂ）のように設定される。即ち、並列腕ＳＡＷ共振子Ｚｐの***振周波数と、直列腕ＳＡＷ共振子Ｚｓの共振周波数とをほぼ一致するように設定すると、その周波数を中心周波数として、図５（ｂ）のＦに示すようにバンドパスフィルタが形成され、並列腕ＳＡＷ共振子Ｚｐの共振周波数と直列腕ＳＡＷ共振子Ｚｓの***振周波数とに減衰極が形成され、低損失で減衰傾度の急峻なフィルタが得られる。さらに、減衰傾度の急峻なフィルタや、保証減衰量の大きなフィルタが必要な場合には、図５（ｃ）に示すようにラダー型基本区間フィルタを縦続接続してフィルタを構成する。
【０００４】
図５（ｂ）から明らかなように、ラダー型ＳＡＷフィルタの帯域幅はＳＡＷ共振子の共振周波数ｆｓと***振周波数ｆａとの差ｄｆ＝ｆａ−ｆｓに依存する。そして、共振周波数差ｄｆはＳＡＷ共振子の容量比γ（モーショナルキャパシタンスＣ１に対する静電容量Ｃ０の比γ＝Ｃ０／Ｃ１）により次式のように表される。
ｄｆ＝ｆｓ／（２γ）
従ってラダー型ＳＡＷフィルタの帯域幅はＳＡＷ共振子の容量比γによって決定されることになる。即ち、狭帯域のラダー型ＳＡＷフィルタを得るにはＳＡＷ共振子の容量比γを大きくすることが必要となる。
【０００５】
図６（ａ）はラダー型ＳＡＷフィルタに用いられるＳＡＷ共振子の電極パターンの構成を示す図であって、圧電基板（図示しない）の主表面上に表面波の伝搬方向に沿ってＩＤＴ電極２１と、その両側にグレーティング反射器（以下、反射器と称す）２２ａ、２２ｂとを配置して構成したものである。ＩＤＴ電極２１は互いに間挿し合う複数の電極指を有する一対のくし形電極からなり、それぞれのくし形電極から延在するリード電極を端子とする一端子対ＳＡＷ共振子を形成している。
図６（ｂ）は同図（ａ）に示したような電極パターンを用い、圧電基板に４２°Ｙ−Ｘ LiTaO₃、ＩＤＴ電極２１の対数を８５対、反射器２２ａ、２２ｂの本数をそれぞれ７５本、ＩＤＴ電極２１の電極周期λを２μｍ、交差幅を４０μｍ、アルミ電極膜厚を１８００Åと設定したＳＡＷ共振子の共振特性を、周波数１．５ＧＨｚから２．５ＧＨｚにわたりスミス図表で示したものである。図から共振及び***振周波数はそれぞれ１９４８．３５６ＭＨｚ、２０１４．８２７ＭＨｚとなり、容量比γは１４．４であることが分かる。
また、同図（ｃ）は周波数１．７５ＧＨｚから２．２５ＧＨｚにわたりＳＡＷ共振子のスプリアスをリターンロスにて示したものである。図から明らかなように、従来の正規型ＳＡＷ共振子の設計では２．５１ｄＢ程度のスプリアスが生じている。なお、スミス図表及びリターンロスはいずれもＳＡＷ共振子に並列に５０Ωを終端してシミュレーションにより求めたものである。
大きなスプリアスを有するＳＡＷ共振子を用いてラダー型ＳＡＷフィルタを構成する場合、例えば直列腕のＳＡＷ共振子に図６（ｃ）のようなスプリアスがある場合には、図７のＳＰで示すようなスプリアスが通過帯域の高域側に生じ、減衰量を劣化させることになる。また、並列腕のＳＡＷ共振子にスプリアスがある場合には、通過帯域内の高周波側より減衰域にかけてスプリアスが生じてフィルタ特性を劣化させることになる。
【０００６】
狭帯域のラダー型ＳＡＷフィルタを実現すべく、容量比γを大きくする改善が種々試みられている。例えば特開平８−６５０８９、特開平９−１６７９３７に開示されている手法は、図８（ａ）に示すようにＳＡＷ共振子に並列に容量Ｃｐを付加して容量比γを大きくする手法である。容量Ｃｐを形成する手段として圧電基板に一対のくし形を形成して静電容量を構成する手段等がある。図８（ａ）に示すように構成したＳＡＷ共振子のスミス図表及びリターンロスをシミュレーションにより求めたものが図８（ｂ）、（ｃ）である。なお、諸定数の値は図６（ａ）に示した値を用いたが、ＳＡＷ共振子に生じるスプリアスの大きさを比較するためには、それぞれのＳＡＷ共振子のインピーダンスを同一とする必要があり、図８（ａ）に示す正規型ＩＤＴ電極２１の対数を７３対、反射器の本数をそれぞれ８７本、容量Ｃｐを０．２２ｐＦとした。スミス図表より共振及び***振周波数はそれぞれ１９４８．３８３ＭＨｚ、２００５．２４０ＭＨｚと求まり、これより容量比γは１６．９であることが分かる。図６で求めた１４．４より大きくなっており、図８（ｃ）よりスプリアスの大きさは２．３９ｄＢ程度である。
【０００７】
また、特開２０００−４９５６８には図９（ａ）に示すように、ＩＤＴ電極内部で電極指の位相を１８０°ずらすように配置した部分Ａを設けたＩＤＴ電極が提案されている。ＳＡＷ共振子の正規型ＩＤＴ電極２３の対数Ｎを７５．５対、反転電極の対数Ｋをそれぞれ５対、反射器２５ａ、２５ｂの本数Ｍをそれぞれ７４本として、ＳＡＷ共振子のインピーダンスを図６（ａ）のそれと合わせるように設定した。図９（ｂ）はスミス図表、（ｃ）はリターンロスである。このような電極パターンのＩＤＴ電極２３を用いると、スミス図表より、共振及び***振周波数はそれぞれ１９４８．２５２ＭＨｚ、２００５．７７５ＭＨｚとなり、容量比γは１６．７であることが分かる。また、リターンロスから明らかなように、容量比γは１６．７と大きくなるもののスプリアスが数多く発生し、しかも大きさが２．４７ｄＢと大きいことが分かった。
【０００８】
図１０（ａ）は特開２０００−４９５６８に開示されているＩＤＴ電極パターンの変形例であり、励振の位相が逆転している領域に励振の間引き重み付けを施している。即ち、図中上下のくし形電極をそれぞれ「＋」、「−」とすれば、Ａ部の電極指構成は「＋＋−＋」という構成になっている。ＳＡＷ共振子のインピーダンスを図６（ａ）のそれと合わせるように、正規型ＩＤＴ電極対数Ｎを６８対、Ａ部に示したＩＤＴ電極の組数Ｋを１７組、反射器Ｍをそれぞれ５８本と設定した。図１０（ｂ）はスミス図表、（ｃ）はリターンロスを示している。スミス図表より、共振及び***振周波数はそれぞれ１９４７．８３４ＭＨｚ、２００５．０９１ＭＨｚとなり、容量比γは１６．８であることが分かる。容量比γは１６．８と改善されるものの、スプリアスの大きさは３．６９ｄＢとむしろ大きくなっていることが判明した。
【０００９】
図１１（ａ）は特開平１１−１６３６６４に開示されているＩＤＴ電極パターンの一例であり、一定の間隔を置いて電極指を間引いている。例えば、同図（ａ）のＡ部に示すように電極指７本につき１本の間引きを行っている。このようなＩＤＴ電極のＳＡＷ共振子の共振特性について、スミス図表及びリターンロスをシミュレーションにより求めたものが、図１１（ｂ）、（ｃ）である。図６（ａ）のＳＡＷ共振子とインピーダンスを合わせるために間引き電極Ｋを図のＡ部の電極指列を１組として１４組、正規型電極Ｎを１組、反射器Ｍをそれぞれ６１本とした。スミス図表より、共振及び***振周波数はそれぞれ１９６８．９１４ＭＨｚ、２０２５．９２７ＭＨｚとなり、容量比γは１７．０であることが分かる。
この場合も容量比γは１７．０と改善されるもののスプリアスは２．５５ｄＢと大きいことが分かる。
【００１０】
特開平８−２３２５６にはＩＤＴ電極に間引き重み付けを施す際に、ＩＤＴ電極の中央より両側に行く程、間引き電極指数を多くするＩＤＴ電極の構成が提案されている。図１２（ａ）に示すＳＡＷ共振子の電極パターンは励振強度分布をα＝２．１のカイザー関数（弾性波素子技術ハンドブック（柴山乾夫、オーム社）ｐ２１１）に近似した間引き重み付けを施したものである。ＩＤＴ電極の対数を１０８対、反射器の本数をそれぞれ５２本として、この構成のＳＡＷ共振子の共振特性をシミュレーションにより求めたものが、図１１（ｂ）のスミス図表と、同図（ｃ）に示すリターンロスの図である。スミス図表より、共振及び***振周波数はそれぞれ１９４８．３０９ＭＨｚ、２００５．７１１ＭＨｚとなり、容量比γは１６．８であることが分かる。スプリアスについても１．７１ｄＢと改善が見られるものの、依然として１．５ｄＢを上まわる大きな値であることが分かった。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記に示したように従来の種々のＳＡＷ共振子の設計手法を用いてＳＡＷ共振子を構成すると、大きなスプリアスが発生することになる。そのため、このようなＳＡＷ共振子を用いて狭帯域のラダー型ＳＡＷフィルタを構成すると、スプリアスのためにフィルタ特性が劣化するという問題があった。
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、容量比を大きく改善すると共に、発生するスプリアスの大きさを抑圧したＳＡＷ共振子を提供することを目的とする。
【００１２】
【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弾性表面波デバイスの発明は、圧電基板の主表面上に表面波の伝搬方向に沿って間引き重み付けしたＩＤＴ電極とその両側にグレーティング反射器を配置して構成する弾性表面波共振子において、前記ＩＤＴ電極の内部に弾性表面波の励振の位相が逆相となる励振領域を含まないようにすると共に、ＩＤＴ電極の間引きの重み付けが表面波の伝搬方向に対して左右で異なるようにしたことを特徴とする弾性表面波共振子である。
また、ある実施例では、圧電基板の主表面上に表面波の伝搬方向に沿って正規型ＩＤＴ電極とその両側にグレーティング反射器を配置して構成する弾性表面波共振子において、前記正規型ＩＤＴ電極の少なくとも一部の電極指を、奇数本ずつ交互に同電位に接続した電極指列で置換したことを特徴とする。
また、ある実施例では、圧電基板の主表面上に表面波の伝搬方向に沿って正規型ＩＤＴ電極とその両側にグレーティング反射器を配置して構成する弾性表面波共振子において、一方のバスバーに接続した電極指を「＋」、他方のバスバーに接続した電極指を「−」と表したとき、前記正規型ＩＤＴ電極の少なくとも一部の電極指を、複数の間引いた電極指列「＋＋＋−−−」で置換したことを特徴とする。
また、ある実施例では、圧電基板の主表面上に表面波の伝搬方向に沿って正規型ＩＤＴ電極とその両側にグレーティング反射器を配置して構成する弾性表面波共振子において、一方のバスバーに接続した電極指を「＋」、他方のバスバーに接続した電極指を「−」と表したとき、前記正規型ＩＤＴ電極の少なくとも一部の電極指を、複数の間引いた電極指列「＋＋＋＋＋−−−−−」と、複数の間引いた電極指列「＋＋＋−−−」とで置換したことを特徴とする。
また、ある実施例では、圧電基板の主表面上に、表面波の伝搬方向に沿って間引き重み付けした一つのＩＤＴ電極と、その両側にグレーティング反射器と、を配置した弾性表面波共振子であって、前記ＩＤＴ電極の内部に弾性表面波の励振の位相が逆相となる励振領域を含んでおらず、前記間引き重み付けが前記ＩＤＴ電極の中心に対して前記表面波の伝搬方向について非対称となっており、前記ＩＤＴ電極の一方のバスバーに接続した電極指を「＋」、他方のバスバーに接続した電極指を「−」と表したとき、前記ＩＤＴ電極の少なくとも一部の電極指が電極指列「＋＋＋−−−」の間引き電極であることを特徴とする。
さらに、前記ＩＤＴ電極の少なくとも一部の電極指が電極指列「＋＋＋＋＋−−−−−」の間引き電極であっても良い。
また、本発明は、前記の本発明による弾性表面波共振子、または前記のある実施例による弾性表面波共振子を用いて構成したことを特徴とするラダー型弾性表面波フィルタである。
【００１３】
【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。
図１（ａ）は本発明に係るＳＡＷ共振子の構成を示す電極パターンであって、圧電基板（図示しない）の主表面上に表面波の伝搬方向に沿ってＩＤＴ電極１と、その両側に反射器２ａ、２ｂを配置して構成したものである。ＩＤＴ電極１は互いに間挿し合う複数の電極指を有する一対のくし形電極からなり、それぞれのくし形電極から延在するリード電極を端子とする一端子対ＳＡＷ共振子を形成している。
【００１４】
本発明の特徴はＩＤＴ電極１の構成法にあり、Ａ１、Ａ２、Ａ３、・・Ａｉ、・・に示すようにＩＤＴ電極１に励振の間引き重み付けと共に、その重み付けの分布、即ち励振強度分布をＩＤＴ電極１の中央に対して対称ではなく、図中右方に向かってカイザー関数αに応じて施したところにある。例えば、図１（ａ）、（ｂ）は図６（ａ）のＳＡＷ共振子のインピーダンスダンスに合わせるべく、α＝１．９とし、ＩＤＴ電極対数Ｎを１０５．５対、反射器の本数Ｍをそれぞれ５４本と設定してシミュレーションしたときのスミス図表と、リターンロスを示す図である。同図（ｂ）より共振、***振周波数はそれぞれ１９４８．３７９ＭＨｚ、２００５．３８６ＭＨｚとなり、容量比γは１６．８と改善されている。また、***振周波数より高周波側に発生するスプリアスは同図（ｃ）より１．４６ｄＢと１．５ｄＢを下まわる値に改善されていることが分かる。
【００１５】
図２（ａ）は本発明に係る第２の実施例であって、ＩＤＴ電極３の構成法に特徴がある。即ち、図２（ａ）に示すように、一方のバスバーに接続した電極指を「＋」、他方のバスバーに接続した電極指を「−」と表したとき、正規型ＩＤＴ電極の少なくとも一部を、図中左方に示すように「＋＋＋−−−」という間引きした電極指列のＩＤＴ電極Ａで置換したものである。図６（ａ）のＳＡＷ共振子とインピーダンスを合わせるために、ＩＤＴ電極Ａの組数Ｋを２０組、正規型電極Ｎを６５対、反射器Ｍをそれぞれ３５本と設定したもののスミス図表、リターンロスを図２（ｂ）、（ｃ）に示す。スミス図表より共振、***振周波数はそれぞれ１９４８．２９３ＭＨｚ、２００５．０９９ＭＨｚとなり、容量比γは１６．８と大きくなり改善されていることが分かる。また、図２（ｃ）より高周波側のスプリアスは１．３０ｄＢと従来のそれより改善されていることが判明した。
【００１６】
図３（ａ）は本発明に係る第３の実施例であって、正規型ＩＤＴ電極の中、図中左方部の電極を「＋＋＋＋＋−−−−−」タイプのＩＤＴ電極Ａ１と、「＋＋＋−−−」タイプのＩＤＴ電極Ａ２とを複合させた励振間引きＩＤＴ電極で置換したものである。インピーダンスを合わせるべくＩＤＴ電極Ａ１−Ａ１−Ａ２−Ａ１−Ａ２を１組としたものを３組、正規型ＩＤＴ電極Ｎを６７対、反射器Ｍをそれぞれ３０本としたＳＡＷ共振子の共振特性を図３（ｂ）にスミス図表で、（ｃ）にはリターンロスで表している。スミス図表より共振、***振周波数はそれぞれ１９４８．１７９ＭＨｚ、２００４．７８２ＭＨｚとなり、容量比γは１７．０と改善されている。***振周波数の高周波側に生じるスプリアスは１．０４ｄＢと大幅に抑圧されていることが分かる。
【００１７】
図１から図３に示した本発明に係る実施例１乃至３の共通点は、間引き電極が同電位の電極指を３本以上の奇数本連続させた電極から構成されていることと、ＩＤＴ電極内の間引き電極の配置がＩＤＴ電極の中央に対して非対称と成っていることと、励振が逆相となる領域が含まれないことである。ただ、図４のＡ部に示すようにＩＤＴ電極の最外側の部分で同電位の電極指が偶数本連続しても励振が逆相となる領域は形成されないので、ＩＤＴ電極の最外側の部分については同電位の電極指が偶数本あるいは奇数本でもよい。
【００１８】
【発明の効果】
本発明は、以上説明したように構成したので、請求項１に記載の発明は共振周波数の高周波側近傍に生ずるスプリアスを抑圧したＳＡＷ共振子が得られるとという優れた効果を表す。請求項２に記載の発明はスプリアスの大きさを抑圧したＳＡＷ共振子が得られるとという優れた効果を表す。請求項３及び４に記載の発明はスプリアスを抑圧したＳＡＷ共振子が実現できるという効果を表す。請求項５に記載の発明は通過域の近傍の減衰特性を改善したフィルタが実現できるという優れた効果を奏す。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）は本発明に係るＳＡＷ共振子の電極パターン示す図、（ｂ）はスミス図表、（ｃ）はリターンロスを示す図である。
【図２】（ａ）は本発明に係る第２の実施例のＳＡＷ共振子の電極パターン示す図、（ｂ）はスミス図表、（ｃ）はリターンロスを示す図である。
【図３】（ａ）は本発明に係る第３の実施例のＳＡＷ共振子の電極パターン示す図、（ｂ）はスミス図表、（ｃ）はリターンロスを示す図である。
【図４】本発明に係るＳＡＷ共振子の電極パターン示す図である。
【図５】（ａ）はラダー型フィルタの基本区間を示す図、（ｂ）は並列腕及び直列腕のリアクタンスカーブとフィルタ特性とを示す図、（ｃ）は基本区間を縦続接続したラダー型フィルタである。
【図６】（ａ）は従来のＳＡＷ共振子の電極パターンを示す図、（ｂ）はスミス図表、（ｃ）はリターンロスを示す図である。
【図７】ラダー型ＳＡＷフィルタに生じるスプリアスを説明する図である。
【図８】ＩＤＴ電極に容量を並列接続したＳＡＷ共振子の構成を示す図、（ｂ）はスミス図表、（ｃ）はリターンロスを示す図である。
【図９】（ａ）はＩＤＴ電極内部に電極指の位相を１８０°ずらすように配置したＳＡＷ共振子の電極パターンを示す図、（ｂ）はスミス図表、（ｃ）はリターンロスを示す図である。
【図１０】（ａ）は励振の位相が逆転している領域に励振の間引き重み付けを施したＳＡＷ共振子の電極パターンを示す図、（ｂ）はスミス図表、（ｃ）はリターンロスを示す図である。
【図１１】（ａ）は一定の間隔を置いて電極指を間引きしたＳＡＷ共振子の電極パターンを示す図、（ｂ）はスミス図表、（ｃ）はリターンロスを示す図である。
【図１２】（ａ）はＩＤＴ電極の電極指にカイザー関数の間引き分布を施したＳＡＷ共振子の電極パターンを示す図、（ｂ）はスミス図表、（ｃ）はリターンロスを示す図である。
【符号の説明】
１、３、５・・ＩＤＴ電極
２ａ、２ｂ、４ａ、４ｂ、６ａ、６ｂ・・グレーティング反射器
Ａ、Ａ１、Ａ２、Ａ３、Ａ４、Ａ５、・・Ａｉ・・間引き電極部

Claims

圧電基板の主表面上に、弾性表面波の伝搬方向に沿って間引き重み付けした一つのＩＤＴ電極と、その両側にグレーティング反射器と、を配置した弾性表面波共振子であって、
前記ＩＤＴ電極の内部に弾性表面波の励振の位相が逆相となる励振領域を含んでおらず、
前記間引き重み付けが前記ＩＤＴ電極の中心に対して前記弾性表面波の伝搬方向について非対称となっており、
前記ＩＤＴ電極の一方のバスバーに接続した電極指を「＋」、他方のバスバーに接続した電極指を「−」と表したとき、
前記ＩＤＴ電極の少なくとも一部の電極指が電極指列「＋＋＋−−−」の間引き電極であり、
前記ＩＤＴ電極の少なくとも一部の電極指が電極指列「＋＋＋＋＋−−−−−」の間引き電極であることを特徴とする弾性表面波共振子。
請求項１の弾性表面波共振子を用いて構成したことを特徴とするラダー型弾性表面波フィルタ。