JP4816234B2 - 不平衡−平衡変換フィルタとそれを用いた送受切換器 - Google Patents

Description

本発明は、通信機器の技術分野に属するものであり、不平衡−平衡変換フィルタに関するもので、特に薄膜圧電共振器を用いた不平衡−平衡変換フィルタとそれを用いた送受切換器に関するものである。

セルラ電話機のＲＦ回路部には常に小型化が求められる。最近では、セルラ電話機に多様な機能を付与することが要望されており、その実現のためにはできるだけ多くのコンポーネントを組み込むことが好ましく、一方でセルラ電話機の大きさには制約があるので、結局、機器における専有面積（実装面積）及び高さの低減の要求が厳しく、従ってＲＦ回路部を構成するコンポーネントについても専有面積が小さく、高さの低いものが求められている。

このような事情から、ＲＦ回路に使用される帯域通過フィルタとして、小型でかつ軽量化が可能である薄膜圧電共振器を用いた薄膜圧電フィルタが利用されるようになっている。前記のような薄膜圧電フィルタは、文献に示されているように半導体基板上に上下の電極で挟まれるように窒化アルミニウム（ＡｌＮ）や酸化亜鉛（ＺｎＯ）等の圧電薄膜を形成し、且つ弾性波エネルギーが半導体基板中に漏洩しないように、その直下に空洞を設けた薄膜圧電共振器（Thin Film Bulk Acoustic Resonator：ＦＢＡＲ）からなるＲＦフィルタである。

図６は、薄膜圧電共振器の一実施形態を示し、図６（ａ）は、その模式的平面図であり、図６（ｂ）は図６（ａ）のＸ−Ｘ断面図である。図６の薄膜圧電共振器は、圧電薄膜と、該圧電薄膜を挟むように形成された下部電極８および上部電極１０とを有する。薄膜圧電共振器は、エアーギャップ４を有する基板６と、該基板６の上面上の端縁に周縁部が支持されて吊られた形態の圧電スタック１２とを有する。該圧電共振器スタック１２は、圧電薄膜（圧電体層）２と該圧電薄膜を挟むように形成された下部電極（下部電極層）８および上部電極（上部電極層）１０とからなる。

図８は従来の薄膜圧電フィルタの一実施形態である梯子型フィルタを、図９には従来の薄膜圧電フィルタの一実施形態である格子型フィルタを示している。図８に示した梯子型フィルは不平衡入力―不平衡出力であり、図９に示した格子型フィルタは平衡入力―平衡出力である。近年は平衡入出力端子を有するＩＣ等の電子部品が主流となっているため、従来は不平衡入出力端子を有する梯子型薄膜圧電フィルタ後段と電子回路間に、バラン回路等の不平衡―平衡変換器を挿入した回路構成をとっていた。バラン回路を導入した場合、ＲＦ回路部全体の専有面積が大きくなり好ましくない。近年、薄膜圧電フィルタに不平衡―平衡変換器の機能を持たせた、いわゆる不平衡入力―平衡出力型の薄膜圧電フィルタ（以下、バランス型薄膜圧電フィルタという）の実用化が進められている。

特許文献１および特許文献２には、梯子型フィルタと格子型フィルタを組み合わせることにより、不平衡―平衡変換機能を有するバランス型薄膜圧電フィルタが提案されている。図１０（ａ）および（ｂ）に示すように梯子型フィルタは、通過帯域近傍で、急峻な減衰特性を有しているが、通過帯域から離れた周波数帯域では、減衰特性が悪化する。一方、格子型フィルタは、通過帯域近傍の減衰特性の急峻性は劣るものの、通過帯域から離れた周波数帯での減衰特性は優れている特長を有している。そのため、特許文献１および特許文献２に記載の薄膜圧電フィルタは、梯子型回路と格子型フィルタの中間的なフィルタ特性を示す。

米国特許第６，５４２，０５５号公報 特表２００４−５１９１８０公報

特許文献１および特許文献２に記載の薄膜圧電フィルタは、梯子型フィルタと格子型フィルタの中間的なフィルタ特性を示すことから、通過帯域近傍の減衰特性の急峻性は必ずしも十分ではなく、減衰特性の急峻性が重要視される通信システムには、適用できないという欠点を有している。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、不平衡―平衡変換器の機能を有し、且つ、通過帯域近傍での減衰特性の急峻性が良好な小型の薄膜圧電フィルタを提供することを目的としたものである。

本発明は、直列共振器と並列共振器とが梯子型に接続された不平衡回路と平衡回路とを含む不平衡−平衡変換フィルタであって、前記不平衡回路は、第１の入力端子と第２の入力端子と第１の出力端子と第２の出力端子とを含む２端子対回路網であり、前記平衡回路は、第３の入力端子と第４の入力端子と第３の出力端子と第４の出力端子とを含む２端子対回路網であり、前記第１の出力端子は前記第３の入力端子に接続されており、前記第２の出力端子は前記第４の入力端子に接続されており、前記第２の入力端子と前記第２の出力端子は、グランド端子に接続されており、前記第４の入力端子と前記グランド端子との間に、インダクタを有することを特徴とする不平衡−平衡変換フィルタに関する。

また、本発明は、前記不平衡回路と前記平衡回路とを構成する直列共振器および並列共振器が、薄膜圧電共振器であることを特徴とする前記不平衡−平衡変換フィルタに関する。

また、本発明は、前記不平衡回路を構成する並列共振器と前記グランド端子との間にインダクタを有することを特徴とする前記不平衡−平衡変換フィルタに関する。

また、本発明は、前記不平衡―平衡変換フィルタを受信フィルタに用いた送受切換器に関する。

本発明によれば、直列共振器と並列共振器とが梯子型に接続された不平衡回路と平衡回路とを含む不平衡−平衡変換フィルタであって、前記不平衡回路は、第１の入力端子と第２の入力端子と第１の出力端子と第２の出力端子とを含む２端子対回路網であり、前記平衡回路は、第３の入力端子と第４の入力端子と第３の出力端子と第４の出力端子とを含む２端子対回路網であり、前記第１の出力端子は前記第３の入力端子に接続されており、前記第２の出力端子は前記第４の入力端子に接続されており、前記第２の入力端子と前記第２の出力端子は、グランド端子に接続されており、前記第４の入力端子と前記グランド端子との間に、インダクタを有する不平衡−平衡変換フィルタとすることで、不平衡―平衡変換器の機能を有するとともに、通過帯域近傍の減衰特性の急峻性が良好なバランス型薄膜圧電フィルタを提供することができる。

本発明によれば、前記不平衡回路と前記平衡回路とを構成する直列共振器および並列共振器が、薄膜圧電共振器である前記不平衡―平衡変換フィルタとすることで、不平衡―平衡変換器の機能を有するとともに、通過帯域近傍の減衰特性の急峻性が良好なバランス型薄膜圧電フィルタを提供することができる。

また、本発明によれば、前記不平衡回路を構成する並列共振器と前記グランド端子との間にインダクタを有する前記不平衡−平衡変換フィルタとすることで、通過帯域近傍の減衰特性の急峻性が良好なバランス型薄膜圧電フィルタを提供することができる

また、本発明によれば、前記不平衡―平衡変換フィルタを受信フィルタに用いた送受切換器とすることで、受信出力側に不平衡―平衡変換器の機能を有するとともに、通過帯域近傍の減衰特性の急峻性が良好な送受切換器を提供することができる。

以下、本発明の実施形態を図面を参照しながら説明する。

本発明は、不平衡―平衡変換器の機能を有し、且つ、通過帯域近傍での減衰特性の急峻性が良好な小型の薄膜圧電フィルタを提供することを目的としている。

本発明のバランス型薄膜圧電フィルタは、直列共振器と並列共振器とが梯子型に接続された不平衡回路と平衡回路とを含む不平衡−平衡変換フィルタであって、前記不平衡回路は、第１の入力端子と第２の入力端子と第１の出力端子と第２の出力端子とを含む２端子対回路網であり、前記平衡回路は、第３の入力端子と第４の入力端子と第３の出力端子と第４の出力端子とを含む２端子対回路網であり、前記第１の出力端子は前記第３の入力端子に接続されており、前記第２の出力端子は前記第４の入力端子に接続されており、前記第２の入力端子と前記第２の出力端子は、グランド端子に接続されており、前記第４の入力端子と前記グランド端子との間に、インダクタを有することを特徴とする不平衡―平衡変換フィルタとすることで、不平衡―平衡変換器の機能を有するとともに、通過帯域近傍の減衰特性の急峻性が良好なバランス型薄膜圧電フィルタを提供することができる。

図１は本発明のバランス型薄膜圧電フィルタの一実施形態を示しており、第１の入力端子１０１と第２の入力端子１０２と第１の出力端子１０３と第２の出力端子１０４とを備えた不平衡回路である梯子型フィルタ部１１０と、第３の入力端子１０５と第４の入力端子１０６と第３の出力端子１０７と第２の出力端子１０８とを備えている平衡回路である梯子型フィルタ部１２０を組み合わせた回路構成となっている。前記不平衡回路の第１の出力端子１０３は前記不平衡回路の第３の入力端子１０５と、前記不平衡回路の第２出力端子１０４は前記不平衡回路の第４の入力端子１０６と接続されている。また、前記第２の入力端子１０２と前記第２の出力端子１０４はグランド端子に接続されている。従って、入力端子１０１および１０２からなる入力端子は不平衡端子で、出力端子１０７および１０８からなる出力端子は平衡端子であることから、不平衡-平衡変換機能を有するバランス型フィルタとなる。

不平衡回路である梯子型フィルタ部１１０は、直列共振器１１１、１１３と、並列共振器１１２、１１４から構成されており、並列共振器１１２、１１４は接地されている。本発明の不平衡回路である梯子型フィルタ部は、図１に記載された回路構成に限定されるものでは無く、直列共振器と並列共振器とからなる不平衡回路である梯子型フィルタであれば、本発明の効果を得ることができる。

平衡回路である梯子型フィルタ部１２０は、直列共振器１２１、１２３と、並列共振器１２２、１２４から構成されている。本発明の平衡回路である梯子型フィルタ部１２０は、図１に記載された回路構成に限定されるものでは無く、直列共振器と並列共振器とからなる平衡回路である梯子型フィルタであれば、本発明の効果を得ることができる。

本発明の梯子型フィルタ１１０および１２０を構成する直列共振器１１１、１１３、１２１、１２３と、並列共振器１１２、１１４、１２２、１２４は、例えば、図６（a）および（ｂ）に示したような薄膜圧電共振器からなることが好ましい。薄膜圧電共振器は高い品質係数Ｑ値を有することから、本発明の目的の一つである通過帯域近傍の減衰特性の急峻性が優れているためである。

図２は本発明のバランス型薄膜圧電フィルタの一実施形態を示している。第１の入力端子１０１と第２の入力端子１０２と第１の出力端子１０３と第２の出力端子１０４とを備えた不平衡回路である梯子型フィルタ部１１０と、第３の入力端子１０５と第４の入力端子１０６と第３の出力端子１０７と第４の出力端子１０８とを備えている平衡回路である梯子型フィルタ部１２０を組み合わせた回路構成となっている点は、図１の実施例と同様である。不平衡回路である梯子型フィルタ部１１０では、並列共振器１１２および１１４がインダクタ（１３１、１３２）を介してグランド端子に接続された構成となっているとともに、一方の平衡回路である梯子型フィルタ部１２０では、直列共振器１２３と並列共振器１２２の接続ノードがインダクタ１３３を介して第２の出力端子１０４に接続されている点が図１の実施形態とは異なっている。インダクタ（１３１、１３２、１３３）を介してグランド端子に接続することにより、通過帯域外に出現する減衰極を制御することが可能となる。

図１で示した実施形態と同様に、本発明の梯子型フィルタ部１１０および１２０の構成は図２に示した回路構成に限定されるものでは無く、不平衡回路である梯子型フィルタ部１１０を構成する並列共振器の少なくとも一つが、インダクタを介して接地されている場合、本発明の実施形態である。また、平衡回路である梯子型フィルタ部１２０を構成している直列共振器と並列共振器の接続ノードがインダクタを介して、前記梯子型フィルタ部１１０のグランド端子に接続されている出力端子（図２では出力端子１０４に相当する。）に接続されていることが、本発明の特徴である。

図３は本発明のバランス型薄膜圧電フィルタの一実施形態を示している。第１の入力端子１０１と第２の入力端子１０２と第１の出力端子１０３と第２の出力端子１０４とを備えた不平衡回路である梯子型フィルタ部１１０と、第３の入力端子１０５と第４の入力端子１０６と第３の出力端子１０７と第４の出力端子１０８とを備えている平衡回路である梯子型フィルタ部１２０を組み合わせた回路構成となっている点は、図１および図２の実施形態と同様である。また、不平衡回路である梯子型フィルタ１１０を構成している並列共振器がインダクタを介してグランド端子に接続されている点も図２と同様であるが、図３の実施形態では、複数の並列共振器（並列共振器１１２および１１４）が一つインダクタ１４１を介してグランド端子に接続されている点が、図２の実施形態とは異なる。このように、複数の並列共振器を一つのインダクタを介して接地させることにより、比較的小さなインダクタンスで通過帯域近傍の高周波数側に減衰極を出現させることが可能であり、フィルタの小型化に非常に有利である。

図１および図２で示した実施形態と同様に、本発明の梯子型フィルタ部１１０および１２０の構成は図３に示した回路構成に限定されるものでは無く、不平衡回路である梯子型フィルタ部１１０を構成する並列共振器の少なくとも２つが、同一のインダクタを介して接地されている場合、本発明の実施形態である

図４は本発明の送受切換器の一実施形態を示している。受信フィルタ１００は、第１の入力端子１０１と第２の入力端子１０２（図示せず）と第１の出力端子１０３（図示せず）と第２の出力端子１０４（図示せず）とを備えた不平衡回路である梯子型フィルタ部１１０と、第３の入力端子１０５（図示せず）と第４の入力端子１０６（図示せず）と第３の出力端子１０７と第４の出力端子１０８とを備えている平衡回路である梯子型フィルタ部１２０を組み合わせた回路構成となっている。また、アンテナ、受信フィルタ間には位相シフタを設置することにより、送信フィルタ２００の特性劣化を抑制することができる。送信フィルタ２００は、従来の梯子型回路で構成される不平衡回路である梯子型フィルタ２００であり、送信入力ポートは不平衡入力となっている。このように、本発明の送受切換器では、受信ポートが平衡端子となり、且つ、送信ポートが不平衡端子の送受切換器とすることができる。

本発明では、受信フィルタとして、第１の入力端子１０１と第２の入力端子と第１の出力端子と第２の出力端子とを備えた不平衡回路である梯子型フィルタ部１１０と、第３の入力端子と第４の入力端子と第３の出力端子１０７と第４の出力端子１０８とを備えている平衡回路である梯子型フィルタ部１２０を組み合わせた回路構成となっており、また、送信フィルタとして、梯子型フィルタを用いていることから通過帯域近傍の減衰特性が良好な送受切換器とすることができる。

図１から図３で示した実施形態と同様に、本発明の送受切換器を構成する受信フィルタの梯子型フィルタ部１１０および１２０の構成は図４に示した回路構成に限定されるものでは無く、不平衡回路である梯子型フィルタ部１１０は直列共振器と並列共振器とからなる不平衡回路である梯子型フィルタであり、平衡回路である梯子型フィルタ部１２０は、直列共振器１２１、１２３と、並列共振器１２２、１２４から構成されている場合、本発明の実施形態である。また、図２から３に示したように並列共振器がインダクタを介して接地されているバランス型フィルタを受信フィルタに用いた場合も、本発明の実施形態に含まれる。

本発明の送受切換器を構成する直列共振器および並列共振器は、薄膜圧電共振器からなることが好ましい。薄膜圧電共振器の例として、例えば図６に示すような形態を挙げることができる。薄膜圧電共振器は高い品質係数Ｑ値を有することから、本発明の目的の一つである通過帯域近傍の減衰特性の急峻性が優れているためである。

本発明の薄膜圧電フィルタを構成している薄膜圧電共振器の構成および材料は、従来の薄膜圧電共振器と同様な構成および材料を適用することができる。例えば、基板６はシリコン基板、ガリウム砒素基板、ガラス基板などからなるものでよく、エアーギャップ４は異方性湿式エッチング、ＲＩＥ（Ｒｅａｃｔｉｖｅ Ｉｏｎ Ｅｔｃｈｉｎｇ）などの従来技術により形成することができる。圧電薄膜（圧電層）２は、例えば、酸化亜鉛（ＺｎＯ）や窒化アルミニウム（ＡｌＮ）のような薄膜として製造できる圧電材料からなるものでよい。

上記のような薄膜圧電共振器は次のようにして作製することができる。シリコンウェハなどの基板６上に湿式エッチング等の技術によりピット部を形成した後、ＣＶＤ法等の成膜技術により犠牲層を形成する。その後、ＣＭＰ法などの平坦化技術により基板表面を平坦化し、ピット内部にのみ犠牲層が堆積された基板とする。スパッタリング法、蒸着法などの成膜方法で下部電極８、圧電層２、上部電極１０を成膜するとともに、湿式エッチング、ＲＩＥ、リフトオフ法などのパターニング技術を用いて各層をパターニングする。この際、上部電極の中心部に上部電極を形成しない領域４０を形成する。更に、前記パターニング技術を用いて、基板上面から犠牲層まで達する貫通孔３０を形成した後、エッチング液にて犠牲層を除去する。これにより、ピット部はエアーギャップ４となる。

図７には、薄膜圧電共振器の別の一実施形態を示す。エアーギャップ４の代わりに、音響反射層を設けている以外は、図６に示した実施形態と同様であり、本発明の薄膜圧電フィルタに用いられる薄膜圧電共振器として用いることができる。

（実施例１）
図３に示す回路構成で、１９００ＭＨｚ帯のバランスフィルタを作製した。本実施例での各構成層の厚みは、下部電極をＭｏで厚み３００ｎｍ、圧電層をＡｌＮで厚み１３００ｎｍ、上部電極をＭｏで厚み３００ｎｍとした。図５にこのようにして形成したバランス型薄膜圧電フィルタの振幅特性を示す。図５より明らかなように、通過帯域近傍の減衰特性は急峻であり、通過帯域と阻止帯域が近接している通信システムへの適用が可能である。

本発明の薄膜圧電フィルタの一実施形態を示す。 本発明の薄膜圧電フィルタの一実施形態を示す。 本発明の薄膜圧電フィルタの一実施形態を示す。 本発明の送受切換器の一実施形態を示す。 実施例１で得られた薄膜圧電フィルタの振幅特性を示す。 薄膜圧電共振器の一実施形態を示す、（ａ）模式的平面図および（ｂ）断面図である。 薄膜圧電共振器の一実施形態を示す。 従来の梯子型回路フィルタを示す。 従来の格子型回路フィルタを示す。 従来の梯子型回路フィルタの振幅特性の、（ａ）狭帯域特性、（ｂ）広帯域特性、を示す図である。

符号の説明

２ 圧電層
４ エアーギャップ
６ 基板
８ 下部電極
１０ 上部電極
１２ 圧電共振器スタック
１４ 音響インピーダンス変換器
３０ 犠牲層エッチング用貫通孔
１００ 受信フィルタ
１０１、１０４ 不平衡入力端子
１０３、１０４ 不平衡出力端子
１０５、１０６ 平衡入力端子
１０７、１０８ 平衡出力端子
１１０ 不平衡回路である梯子型フィルタ部
１２０ 平衡回路である梯子型フィルタ部
１１１、１１３、梯子型フィルタ部１１０を構成する直列共振器
１１２、１１４、梯子型フィルタ部１１０を構成する並列共振器
１２１、１２３、梯子型フィルタ部１２０を構成する直列共振器
１２２、１２４、梯子型フィルタ部１２０を構成する並列共振器
１３１、１３２、１３３、１４１、１４２ インダクタ
１５１、１５３、１５５ 従来の梯子型フィルタを構成する直列共振器
１５２、１５４、１５６ 従来の梯子型フィルタを構成する並列共振器
１６１、１６３ 従来の格子型フィルタを構成する直列共振器
１６２、１６４ 従来の格子型フィルタを構成する並列共振器
２００ 送信フィルタ
２１１、２１３、２１５、２１７ 送信フィルタ２００を構成する直列共振器
２１２、２１４、２１６、２１８ 送信フィルタ２００を構成する並列共振器

Claims (4)

1. 直列共振器と並列共振器とが梯子型に接続された不平衡回路と平衡回路とを含む不平衡−平衡変換フィルタであって、前記不平衡回路は、第１の入力端子と第２の入力端子と第１の出力端子と第２の出力端子とを含む２端子対回路網であり、前記平衡回路は、第３の入力端子と第４の入力端子と第３の出力端子と第４の出力端子とを含む２端子対回路網であり、前記第１の出力端子は前記第３の入力端子に接続されており、前記第２の出力端子は前記第４の入力端子に接続されており、前記第２の入力端子と前記第２の出力端子は、グランド端子に接続されており、前記第４の入力端子と前記グランド端子との間に、インダクタを有することを特徴とする不平衡−平衡変換フィルタ。
2. 前記不平衡回路と前記平衡回路とを構成する直列共振器および並列共振器が、薄膜圧電共振器であることを特徴とする請求項１記載の不平衡−平衡変換フィルタ。
3. 前記不平衡回路を構成する並列共振器と前記グランド端子との間にインダクタを有することを特徴とする請求項１記載の不平衡−平衡変換フィルタ。
4. 請求項１記載の不平衡−平衡変換フィルタを受信フィルタに用いた送受切換器。

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