JPWO2010103882A1 - ラダー型弾性波フィルタ - Google Patents

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Abstract

広帯域化及び減衰量の拡大を図り得るだけでなく、通過帯域内における損失を十分に小さくすることができる、ラダー型弾性波フィルタを提供する。入力端と出力端とを結ぶ直列腕と、直列腕とグラウンド電位とを接続している並列腕とを備え、直列腕において、少なくとも3つの直列腕共振子S1〜S3が互いに直列に接続されており、少なくとも3つの直列腕共振子S1〜S3の共振周波数が異なっており、各直列腕共振子における電極指交叉幅の電極指の対数に対する割合を縦横比としたときに、共振周波数が最も低い直列腕共振子S1の縦横比T1が、全ての直列腕共振子S1〜S4の縦横比の平均T0よりも大きくされている、ラダー型弾性波フィルタ1。

Description

本発明は、例えば携帯電話機の帯域フィルタなどに用いられる弾性波フィルタに関し、より詳細には、ラダー型回路構成を有する弾性波フィルタに関する。
従来、携帯電話機のRF段の帯域フィルタとして、弾性表面波フィルタが広く用いられている。例えば、下記の特許文献1には、この種の帯域フィルタの一例として、ラダー型弾性表面波フィルタが開示されている。ラダー型弾性表面波フィルタでは、直列腕共振子の共振周波数frと、並列腕共振子の***振周波数faとを通過帯域の中心周波数付近に設定する。他方、直列腕共振子の***振周波数faを通過帯域高域側近傍の減衰極に、並列腕共振子の共振周波数frを通過帯域低域側近傍の減衰極に位置させる。それによって、通過帯域が形成されている。
特許文献1の段落〔0297〕に記載のように、直列腕共振子では、IDT電極の開口長すなわち交叉幅を狭くし、電極指の対数を多くすることにより、電気抵抗を低くし、それによって損失を小さくすることができる。また、特許文献1の段落〔0300〕に記載のように、交叉幅を狭くし過ぎると、表面波の回折による損失が大きくなる。もっとも、回折損は、共振特性よりも***振特性に大きく影響する。従って、共振周波数frが通過帯域の中心周波数付近にあり、***振周波数faが通過帯域外に位置する直列腕共振子では、上記回折損の影響は小さいため、あまり問題とはならない。従って、交叉幅をできるだけ狭くするのが常識であった。
特開2000−174586号公報
近年、携帯電話機の帯域フィルタでは、通過帯域の拡大、減衰量の増大及び損失の低減が強く求められている。そのため、複数の直列腕共振子において、共振周波数を異ならせることにより、広帯域化及び減衰量の増大が図られている。
しかしながら、複数の直列腕共振子の共振周波数を異ならせた場合、通過帯域内における損失を十分に小さくすることができなかった。特に、通過帯域内における高域側の周波数域における損失が悪化するという問題があった。
本発明の目的は、上述した従来技術の現状に鑑み、通過帯域の拡大及び通過帯域近傍の減衰域における減衰量の増大を図り得るだけでなく、通過帯域内における損失の低減を図ることが可能とされている、ラダー型弾性波フィルタを提供することである。
本発明によれば、入力端と出力端とを結ぶ直列腕と、前記直列腕とグラウンド電位とを接続している並列腕とを備えるラダー型弾性波フィルタであって、前記直列腕において、少なくとも3つの直列腕共振子が互いに直列に接続されており、少なくとも3つの該直列腕共振子の共振周波数が異なっており、直列腕共振子における電極指交叉幅の電極指の対数に対する割合を縦横比としたときに、共振周波数が最も低い直列腕共振子の縦横比T1が、全ての直列腕共振子の縦横比の平均T0よりも大きくされている、ラダー型弾性波フィルタが提供される。
本発明に係るラダー型弾性波フィルタのある特定の局面では、共振周波数が最も高い前記直列腕共振子の縦横比T2が、全ての直列腕共振子の縦横比の平均値T0よりも小さくされている。この場合には、通過帯域内における損失をより一層効果的に低減することができる。
本発明に係るラダー型弾性波フィルタのさらに他の特定の局面では、共振周波数が最も低い前記直列腕共振子の共振周波数が、通過帯域内において通過帯域の中心周波数よりも低域側に位置しており、共振周波数が最も高い直列腕共振子の共振周波数は、通過帯域外において、通過帯域よりも高域側に位置している。この場合には、損失をより一層確実に小さくすることができる。
本発明に係るラダー型弾性波フィルタは、弾性表面波フィルタを利用したものであってもよく、あるいは弾性境界波を利用したものであってもよい。従って、本発明によって、ラダー型弾性表面波フィルタ及びラダー型弾性境界波フィルタのいずれをも提供することができる。
本発明に係るデュプレクサは、複数の帯域フィルタを備え、少なくとも1個の帯域フィルタが、本発明に従って構成されたラダー型弾性波フィルタからなる。よって、デュプレクサにおける損失の低減を図ることができる。
本発明に係るラダー型弾性波フィルタによれば、共振周波数が互いに異なる少なくとも3つの直列腕共振子において、共振周波数が最も低い直列腕共振子の縦横比T1が、全ての直列案共振子の縦横比の平均値T0よりも大きくされているため、共振周波数を異ならせることにより広帯域化を図り、減衰量の拡大を図り得るだけでなく、損失、特に通過帯域内の高域側周波数域における損失を充分に小さくすることができる。
よって、広帯域、高減衰量及び低損失の帯域フィルタを本発明に従って提供することが可能となる。
図1は、本発明の一実施形態に係るラダー型弾性波フィルタ装置の回路構成を示す図である。 図2は、図1に示したラダー型弾性波フィルタ装置において用いられている1つの弾性波共振子の模式的平面図である。 図3は、本発明の一実施形態のラダー型弾性波フィルタ及び比較例のラダー型弾性波フィルタの挿入損失特性を示す図である。 図4は、共振周波数が最も低い直列腕共振子の縦横比が0.07または0.15の場合のインピーダンス特性をそれぞれ示す図である。 図5は、共振周波数が最も低い直列腕共振子の縦横比が0.07または0.15の場合の位相特性をそれぞれ示す図である。 図6は、共振周波数が最も低い直列腕共振子の縦横比が0.07または0.15の場合のインピーダンススミスチャートをそれぞれ示す図である。 図7は、共振周波数が最も低い直列腕共振子の縦横比が0.07または0.15の場合のリターンロス特性をそれぞれ示す図である。 図8は、共振周波数が最も高い直列腕共振子の縦横比が0.07または0.20の場合のインピーダンス特性をそれぞれ示す図である。 図9は、共振周波数が最も高い直列腕共振子の縦横比が0.07または0.20の場合の位相特性をそれぞれ示す図である。 図10は、共振周波数が最も高い直列腕共振子の縦横比が0.07または0.20の場合のインピーダンススミスチャートをそれぞれ示す図である。 図11は、共振周波数が最も高い直列腕共振子の縦横比が0.07または0.20の場合のリターンロス特性をそれぞれ示す図である。 図12は、本発明が適用される弾性波フィルタ装置としての弾性境界波装置を説明するための模式的正面断面図である。 図13は、本発明が適用されるデュプレクサを説明するための回路構成を示す図である。
以下、図面を参照しつつ、本発明の具体的な実施形態を説明することにより、本発明を明らかにする。
図1は、本発明の一実施形態に係るラダー型弾性波フィルタの回路構成を示す図である。
ラダー型弾性波フィルタ1は、入力端子2と出力端子3との間を結ぶ直列腕を有する。この直列腕においては、複数の直列腕共振子S1〜S4が互いに直列に接続されている。ここでは、入力端子2側から出力端子3側に向けて、直列腕共振子S4、直列腕共振子S3、直列腕共振子S2及び直列腕共振子S1の順にこれらの直列腕共振子S1〜S4が配置されている。
また、出力端子3と第1の直列腕共振子S1との間の接続点とグラウンド電位との間を結ぶように第1の並列腕が形成されており、第1の並列腕は、第1の並列腕共振子P1を有する。
同様に、第1,第2の直列腕の共振子S1,S2間の接続点とグラウンド電位とを結ぶ第2の並列腕は第2の並列腕共振子P2を、第2,第3の直列腕共振子S2,S3の接続点とグラウンド電位とを結ぶ第3の並列腕は第3の並列腕共振子P3を、第3,第4の直列腕共振子S3,S4間の接続点とグラウンド電位とを結ぶ第4の並列腕は第4の並列腕共振子P4を有する。
上記直列腕共振子S1〜S4及び並列腕共振子P1〜P4は、いずれも、本実施形態では、1ポート型の弾性表面波共振子からなる。1ポート型弾性表面波共振子の一例を、図2に示す。図2において、弾性表面波共振子11は、圧電基板12と、圧電基板12上に形成されたIDT電極13及び反射器14,15を有する。
前述した通り、ラダー型フィルタでは、直列腕共振子の***振周波数faが通過帯域高域近傍の減衰極に位置され、並列腕共振子の共振周波数frが通過帯域低域側の減衰極に位置される。また、直列腕共振子の共振周波数fr及び並列腕共振子の***振周波数faは、通過帯域内に位置される。もっとも、広帯域化を図るために、従来より、複数の直列腕共振子の共振周波数を異ならせる手法が用いられている。
本実施形態のラダー型弾性波フィルタ1においても、複数の直列腕共振子S1〜S4の共振周波数を異ならせることにより、広帯域化及び阻止域における減衰量の拡大が図られている。
下記の表1に、第1〜第4の直列腕共振子S1〜S4の共振周波数、***振周波数及びIDT電極のピッチで定まる波長を示す。
また、下記の表1においては、本実施形態における上記第1〜第4の直列腕共振子S1〜S4におけるIDT電極の電極指の対数、交叉幅及び縦横比を併せて示す。なお、縦横比とは、電極指交叉幅の電極指の対数に対する割合を示す。すなわち、縦横比=交叉幅/対数である。
Figure 2010103882
また、第1〜第4の並列腕共振子P1〜P4の共振周波数、***振周波数及びIDT電極のピッチで定まる波長を下記の表2に示す。表2においては、並列腕共振子P1〜P4の電極指の対数、交叉幅及び縦横比も併せて示す。
Figure 2010103882
本実施形態のラダー型弾性波フィルタ1の特徴は、上記直列腕共振子S1〜S4において、共振周波数が最も低い直列腕共振子S1の縦横比T1が、全ての直列腕共振子S1〜S4の縦横比の平均T0よりも大きくされていることにあり、それによって、損失、特に通過帯域高域側における損失を十分に小さくすることが可能とされていることにある。これを、具体的な実験例に基づき説明する。
直列腕共振子S1〜S4及び並列腕共振子P1〜P4を構成する圧電基板としてLN基板を用いた。そして、電極主材料としてAl、Cu、Ptなどを成膜しパターニングすることにより、表1及び表2に示した電極指の対数、交叉幅及び縦横比を有する各IDT電極を形成した。なお、反射器についても、同じ電極材料を用い、電極指の本数が15本であるグレーティング型反射器を形成した。
また、比較のために、上述した表1に示すように、複数の直列腕共振子S1〜S4のIDT電極の電極指の対数、交叉幅及び縦横比が設定されたことを除いては、上記実施形態と同様にして構成された比較例1,2のラダー型弾性波フィルタ装置を作製した。
なお、上記実施形態のラダー型弾性波フィルタ装置では、直列腕共振子S1の縦横比T1=0.18であり、T0=0.12であるため、T1>T0である。
また、比較例1では、T1=0.10であり、T0=0.10であるため、T1=T0である。さらに、比較例2では、T1=0.07であり、T0=0.13であるため、T1<T0である。
図3は、上記実施形態に従って構成された実施例及び比較例1,2のラダー型弾性波フィルタの挿入損失特性を示す図である。図3において、実線が実施例の結果を、破線が比較例1の結果を、一点鎖線が比較例2の結果を示す。
図3から明らかなように、比較例1,2では、通過帯域高域側端部である1980MHz付近の通過帯域内において、損失が大きくなっているのに対し、本実施形態によれば、通過帯域内の通過帯域内において高域側の周波数域においても損失がさほど大きくならず、通過帯域内の高域側の周波数域における損失を大幅に低減し得ることがわかる。
これは、後述するように、共振周波数が異なる複数の直列腕共振子S1〜S4のうち、最も低い直列腕共振子S1の縦横比T1を、全直列腕共振子の縦横比の平均値であるT0よりも大きくしたことにより、通過帯域内における直列腕共振子S1の通過帯域高域側におけるリターンロス特性が改善されたことによると考えられる。これを、図4〜図11を参照して明らかにする。
本願発明者は、通過帯域高域側端部近傍の通過帯域内における損失の低減が、最も共振周波数が低い直列腕共振子S1のリターンロス特性による影響であることを見出した。すなわち、最も共振周波数が低い直列腕共振子S1と、最も共振周波数が高い直列腕共振子S2のリターンロス特性が、フィルタ特性の通過帯域高域側の損失に影響しているのではないかと考え、これを確認した。
図4〜図7は、それぞれ、共振周波数が最も低い直列腕共振子S1において、縦横比を0.07または0.15とした場合のインピーダンス特性、位相特性、インピーダンススミスチャート及びリターンロス(RL)特性を示す図である。図4〜図7において、実線が、縦横比=0.15の場合の特性を、破線が縦横比=0.07の場合の特性を示す。
図4〜図6に示すように、直列腕共振子S1の縦横比が0.07の場合に比べ、0.15と大きくすることにより、直列腕共振子S1の***振特性が改善することがわかる。また、図7に示したように、通過帯域内の高域側の周波数におけるリターンロスが改善されることもわかる。
すなわち、最も共振周波数の低い直列腕共振子S1の***振周波数は、通過帯域である1920〜1980MHz付近にあるため、回折損による***振特性が悪化すると、通過帯域内の高域側周波数域におけるリターンロスにまで悪影響が現れることがわかった。
そこで、直列腕共振子S1の交叉幅を広くすることにより、回折損を低減し、***振特性を改善した。なお、弾性波共振子の静電容量を変化させないために、交叉幅を広げた分だけ、電極指の対数を減らした。すなわち、縦横比を大きくした。
他方、図8〜図11は、共振周波数が最も高い直列腕共振子S2の縦横比が0.07または0.20の場合のインピーダンス特性、位相特性、インピーダンススミスチャート及びリターンロス特性をそれぞれ示す図である。実線が0.20の場合を、破線が0.07の場合を示す。
図8〜図11から明らかなように、共振周波数が最も高い直列腕共振子S2の縦横比が0.07の場合には、0.20の場合に比べ、縦横比を小さくすることにより、共振特性が改善し得ることがわかる。交叉幅が狭くなることにより、第2の直列腕共振子S2の***振特性は劣化するが、リターンロスが悪化するのは、前述したように、共振周波数よりも高域側である。従って、通過帯域内におけるリターンロスは改善される。
図4〜図7及び図8〜図11の結果から明らかなように、共振周波数が異なる複数の直列腕共振子S1〜S4を用いて広帯域化を図った場合、最も共振周波数が低い第1の直列腕共振子S1の縦横比がラダー型弾性波フィルタ1の通過帯域高域側の損失に影響することがわかる。
最も共振周波数が高い直列腕共振子S2の共振周波数は通過帯域よりも高域側にあり、***振周波数はさらに高域側に位置する。従って、直列腕共振子S2の回折損による***振特性の悪化は通過帯域内のリターンロスにほとんど影響しないと考えられる。そこで、直列腕共振子S2の交叉幅を最も狭くし、抵抗損を低減し、共振特性の改善を試みた。また、弾性波共振子の静電容量を変化させないために、交叉幅を狭くした分だけ、電極指の対数を増加させた。すなわち、表1に示した実施形態のように、直列腕共振子S2の縦横比を小さくした。
上記のように、本実施形態では、共振周波数が最も低い第1の直列腕共振子S1の縦横比を大きくすることにより、図4〜図7に示したように、***振特性が改善され、かつ図7に示したように、通過帯域内の高域側周波数域におけるリターンロスが改善されていることがわかる。
また、本実施形態では、交叉幅が広げられたことにより、直列腕共振子S1の共振特性は劣化するものの、***振特性が改善されているため、共振特性と***振特性との間、すなわち共振周波数よりも高域側の周波数域のリターンロスは、共振周波数よりも低い周波数域におけるリターンロスに比べて悪化しない。共振周波数の最も低い第1の直列腕共振子S1では、共振周波数よりも高域側の周波数域が通過帯域となるため、通過帯域内におけるリターンロスは悪化し難いことがわかる。
そこで、上記直列腕共振子S1の縦横比T1と、他の直列腕共振子S2〜S4の縦横比を種々異ならせて、検討した結果、図3に示されているように、T1>T0とすれば、広帯域化を図り、減衰量の拡大を図り得るだけでなく、通過帯域高域側における損失を十分に小さくし得ることを確認した。
また、上記実施形態では、共振周波数が最も高い直列腕共振子S2の縦横比T2=0.07であり、T0=0.12よりも小さくされている。そのため、通過帯域内における高域側の周波数域における損失をより一層小さくすることができる。
なお、上記実施形態では、弾性表面波を利用した弾性表面波共振子を用いたラダー型弾性波フィルタにつき説明したが、本発明は、弾性境界波を利用した弾性境界波装置を用い、各弾性波共振子を形成してもよい。すなわち、本発明のラダー型弾性波フィルタは、ラダー型弾性波境界波フィルタであってもよい。
すなわち、図12に略図的正面断面図で示す弾性境界波装置16では、圧電体からなる圧電基板17上に、誘電体18が積層されている。圧電基板17と誘電体18との界面に、IDTを含む電極構造19が設けられている。この電極構造19として、前述した各実施形態の電極構造を形成することにより、本発明に従って、弾性境界波フィルタ装置を提供することができる。
また、本発明のラダー型弾性波フィルタは、複数の帯域フィルタを備えるデュプレクサの帯域フィルタとして好適に用いられる。図13(a),(b)に示すデュプレクサ21,22は、複数の帯域フィルタとして、送信フィルタTx及び受信フィルタRxを有する。このRxフィルタとして、本発明のラダー型弾性波フィルタを用いることにより、デュプレクサ21,22の損失の低減を図ることができる。
1…ラダー型弾性波フィルタ
2…入力端子
3…出力端子
11…弾性表面波共振子
12…圧電基板
13…IDT電極
14,15…反射器
16…弾性境界波装置
17…圧電基板
18…誘電体
19…電極構造
21,22…デュプレクサ
P1〜P4…第1〜第4の並列腕共振子
S1〜S4…第1〜第4の直列腕共振子

Claims (6)

  1. 入力端と出力端とを結ぶ直列腕と、
    前記直列腕とグラウンド電位とを接続している並列腕とを備えるラダー型弾性波フィルタであって、
    前記直列腕において、少なくとも3つの直列腕共振子が互いに直列に接続されており、少なくとも3つの該直列腕共振子の共振周波数が異なっており、直列腕共振子における電極指交叉幅の電極指の対数に対する割合を縦横比としたときに、共振周波数が最も低い直列腕共振子の縦横比T1が、全ての直列腕共振子の縦横比の平均T0よりも大きくされている、ラダー型弾性波フィルタ。
  2. 共振周波数が最も高い前記直列腕共振子の縦横比T2が、全ての直列腕共振子の縦横比の平均値T0よりも小さくされている、請求項1に記載のラダー型弾性波フィルタ。
  3. 共振周波数が最も低い前記直列腕共振子の共振周波数が、通過帯域内において通過帯域の中心周波数よりも低域側に位置しており、共振周波数が最も高い直列腕共振子の共振周波数は、通過帯域外において、通過帯域よりも高域側に位置している、請求項1または2に記載のラダー型弾性波フィルタ。
  4. 弾性表面波フィルタである、請求項1〜3のいずれか1項に記載のラダー型弾性波フィルタ。
  5. 弾性境界波フィルタである、請求項1〜3のいずれか1項に記載のラダー型弾性波フィルタ。
  6. 少なくとも2個のフィルタを備えるデュプレクサであって、少なくとも1個のフィルタが、請求項1〜5のいずれか1項に記載のラダー型弾性波フィルタからなる、デュプレクサ。
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