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JP4930663B1 - 弾性波分波器 - Google Patents

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Abstract

IMD(相互変調歪)が抑制されており、優れた伝送特性を有する弾性波分波器を提供する。
弾性波分波器1は、アンテナ端子12と、送信フィルタ15と、受信フィルタ20と、アンテナ端子12と受信フィルタ20との間に直列に接続されている複数の弾性波共振子41〜43とを備えている。受信フィルタは、弾性波伝搬方向に沿って配列された複数のIDT電極24a〜29b、24b〜29bを有する縦結合共振子型弾性波フィルタ21により構成されている。複数の弾性波共振子41〜43の合成容量C1が、複数のIDT電極24a〜29a、24b〜29bのうちのアンテナ端子側に接続されているIDT電極24a、27a、24b、27bの容量C2よりも小さい。
【選択図】図1

Description

本発明は、弾性波分波器に関する。
近年、携帯電話機などの通信機器において、弾性表面波や弾性境界波などの弾性波を利用した弾性波分波器が広く用いられるようになってきている。例えば、下記の特許文献1には、図8に示す弾性表面波分波器が開示されている。
図8に示すように、弾性表面波分波器100は、アンテナ端子101と送信端子102との間に接続されている送信フィルタ104と、アンテナ端子101と受信端子103a、103bとの間に接続されている受信フィルタ105とを備えている。弾性表面波分波器100では、受信フィルタ105は、縦結合共振子型弾性表面波フィルタにより構成されている。受信フィルタ105とアンテナ端子101との間には、弾性表面波共振子106が接続されている。弾性表面波共振子106を設けることによって、送信フィルタ104と受信フィルタ105との位相差を調整することができる。
特開2008−5151号公報
しかしながら、弾性表面波分波器100の受信フィルタ105は非線形特性を有するため、IMD(相互変調歪)が発生する。例えば、アンテナ端子101から入る妨害波信号の周波数が(送信信号の周波数×2−受信信号の周波数)の数式から算出される値と一致する場合、送信信号と妨害波信号から生成されるIMDの周波数は受信信号の周波数と一致する。そのため、受信信号の感度が劣化するという問題がある。
本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的は、IMDの発生が抑制されており、優れた伝送特性を有する弾性波分波器を提供することにある。
本発明に係る弾性波分波器は、アンテナ端子と、送信フィルタと、受信フィルタと、複数の弾性波共振子とを備えている。送信フィルタは、アンテナ端子に接続されている。受信フィルタは、アンテナ端子に接続されている。受信フィルタは、弾性波伝搬方向に沿って配列された複数のIDT電極を有する縦結合共振子型弾性波フィルタにより構成されている。複数の弾性波共振子は、アンテナ端子と受信フィルタとの間に直列に接続されている。複数の弾性波共振子の合成容量C1が、複数のIDT電極のうちのアンテナ端子側に接続されているIDT電極の容量C2よりも小さい。
なお、複数のIDT電極のうちのアンテナ端子側に接続されているIDT電極が複数存在する場合は、容量C2は、複数のIDT電極のうちのアンテナ端子側に接続されている複数のIDT電極の合成容量となる。
本発明に係る弾性波分波器のある特定の局面では、複数の弾性波共振子のうちの少なくとも2つの弾性波共振子は、周波数特性が互いに異なっている。
本発明に係る弾性波分波器の他の特定の局面では、少なくとも2つの弾性波共振子は、電極指のピッチが互いに異なっている。
本発明に係る弾性波分波器の別の特定の局面では、少なくとも2つの弾性波共振子は、電極指のデューティー比が互いに異なっている。
本発明に係る弾性波分波器のさらに他の特定の局面では、弾性波共振子が3つ以上設けられている。
本発明に係る弾性波分波器のさらに別の特定の局面では、弾性波分波器は、弾性表面波分波器または弾性境界波分波器である。
本発明では、複数の弾性波共振子のうちの少なくとも2つは、互いに異なる反共振周波数を有する。このため、IMDの発生が抑制されており、よって、優れた伝送特性を実現することができる。
図1は、本発明を実施した一実施形態に係る弾性表面波分波器の略図的構成図である。 図2は、本発明を実施した一実施形態における受信フィルタの略図的断面図である。 図3は、実施例1,2及び比較例におけるIMDを表すグラフである。 図4は、実施例1における受信フィルタの挿入損失を表すグラフである。 図5は、実施例3における受信フィルタの挿入損失を表すグラフである。 図6は、実施例1における弾性表面波共振子の挿入損失を表すグラフである。 図7は、第1の変形例に係る弾性境界波分波器の一部分の略図的断面図である。 図8は、特許文献1に記載の弾性波分波器の略図的平面図である。
以下、本発明を実施した好ましい形態について、図1に示す、弾性波分波器としての弾性表面波デュプレクサ1を例に挙げて説明する。但し、弾性表面波デュプレクサ1は、単なる例示である。本発明に係る弾性波分波器は、弾性表面波デュプレクサ1に何ら限定されない。本発明に係る弾性波分波器は、例えば、弾性波トリプレクサなどであってもよい。
図1は、本実施形態に係る弾性表面波デュプレクサ1の略図的構成図である。図1に示す弾性表面波デュプレクサ1は、平衡―不平衡信号変換機能を有するUMTS−Band1に対応したデュプレクサである。なお、UMTS−Band1の送信周波数帯は1920MHz〜1980MHzであり、受信周波数帯は2110MHz〜2170MHzである。
弾性表面波デュプレクサ1は、アンテナ端子12と、送信端子13と、第1及び第2の受信端子14a、14bとを有する。本実施形態では、アンテナ端子12及び送信端子13のインピーダンスは50Ωとされ、第1及び第2の受信端子14a、14bのインピーダンスは100Ωとされている。
アンテナ端子12と送信端子13との間には、送信フィルタ15が接続されている。送信フィルタ15は特に限定されない。送信フィルタ15は、例えば、縦結合共振子型弾性表面波フィルタにより構成されていてもよいが、図1に示すように、耐電力性に優れたラダー型弾性波フィルタにより構成されていることが好ましい。
アンテナ端子12と受信端子14a、14bとの間には、受信フィルタ20が接続されている。受信フィルタ20は、平衡−不平衡変換機能を有する縦結合共振子型弾性表面波フィルタ21によって構成されている。縦結合共振子型弾性表面波フィルタ21は、第1及び第2の縦結合共振子型弾性表面波フィルタ部22、23を有する。第1の縦結合共振子型弾性表面波フィルタ部22は、アンテナ端子12と、第1の受信端子14aとの間に接続されている。一方、第2の縦結合共振子型弾性表面波フィルタ部23は、アンテナ端子12と、第2の受信端子14bとの間に接続されている。
第1及び第2の縦結合共振子型弾性表面波フィルタ部22,23のそれぞれは、弾性表面波伝搬方向に沿って配列された複数のIDT電極を有する。具体的には、第1及び第2の縦結合共振子型弾性表面波フィルタ部22,23は、それぞれ、弾性波伝搬方向に沿って配列された第1〜第3のIDT電極24a、24b、25a、25b、26a、26bと、第4〜第6のIDT電極27a、27b、28a、28b、29a、29bとを有する。第1〜第3のIDT電極24a、24b、25a、25b、26a、26bが設けられている領域の弾性波伝搬方向両側には、一対の反射器30a、30b、31a、31bが設けられている。第4〜第6のIDT電極27a、27b、28a、28b、29a、29bが設けられている領域の弾性波伝搬方向両側には、一対の反射器32a、32b、33a、33bが設けられている。第1〜第6のIDT電極24a、24b、25a、25b、26a、26b、27a、27b、28a、28b、29a、29bのうち、第1及び第4のIDT電極24a、24b、27a、27bの一方の櫛歯状電極がアンテナ端子12側に接続されており、他方の櫛歯状電極はグラウンド電位に接続されている。第2,第3,第5及び第6のIDT電極25a、25b、26a、26b、28a、28b、29a、29bの一方の櫛歯状電極はグラウンド電位に接続されており、他方の櫛歯状電極は、第1または第2の受信端子14a、14bに共通に接続されている。なお、以下の説明において、アンテナ端子12側に接続されている第1及び第4のIDT電極24a、24b、27a、27bを入力IDT電極24a、24b、27a、27bと呼ぶ。
アンテナ端子12と受信フィルタ20との間には、複数の弾性表面波共振子が直列に接続されている。具体的には、本実施形態では、アンテナ端子12と受信フィルタ20との間には、3つの弾性表面波共振子41〜43が直列に接続されている。弾性表面波共振子41〜43の夫々は、IDT電極44と、そのIDT電極44の弾性波伝搬方向の両側に設けられている一対の反射器45,46を有する。また、送信フィルタ15及び受信フィルタ20の接続点とグラウンド電位との間にはインダクタ60が接続されている。
弾性表面波共振子41〜43及びインダクタ60は、受信フィルタ20と送信フィルタ15との位相調整を行うために設けられている。弾性表面波共振子41〜43の夫々は、共振周波数が受信フィルタ20の通過帯域内に位置する一方、反共振周波数が通過帯域高域側近傍の減衰域に位置するように構成されている。
図2に示すように、本実施形態の弾性表面波デュプレクサ1は、圧電基板10と、圧電基板10の上に形成されている電極11を有する。この電極11によって、上記IDT電極、反射器、配線等が構成されている。本実施形態では、圧電基板10は、40±5°YカットX伝搬LiTaO基板により構成されている。もっとも、圧電基板10は、LiNbO基板、水晶基板などの他の圧電基板により構成されていてもよい。
電極11は、Alにより形成されている。もっとも、電極11は、Al以外の導電材料からなるものであってもよい。電極11は、例えば、Al,Pt,Au,Ag,Cu,Ni,Ti,Cr,Pdなどの金属や、これらの金属の一種以上を含む合金により形成することもできる。また、電極11は、上記のような金属や合金からなる複数の導電膜の積層体により構成することも可能である。
なお、圧電基板10の上に、例えば、周波数温度特性を改善する目的やIDT電極及び反射器等を保護する目的で、酸化ケイ素膜や窒化ケイ素膜などの誘電体膜を形成するようにしてもよい。
ところで、IMDが発生し得る部分は、アンテナ端子12に電気的に接続されているIDT電極となる。本実施形態では、アンテナ端子12と受信フィルタ20との間に直列に接続されている弾性表面波共振子41〜43のIDT電極44と、アンテナ端子12とグラウンド電位との間に並列に接続されている縦結合共振子型弾性表面波フィルタ21の入力IDT電極24a、24b、27a、27bとにおいて、IMDが発生し得る。それ以外の縦結合共振子型弾性表面波フィルタ21のIDT電極25a、25b、26a、26b、28a、28b、29a、29bは、アンテナ端子12と音響的に接続されているに過ぎない。このため、IDT電極25a、25b、26a、26b、28a、28b、29a、29bでは、送信信号や妨害波信号が大きく減衰され、IMDはほとんど発生しない。
また、いずれのIDT電極でIMDが発生しやすいかは、IDT電極の容量で決まる。例えば、IMDが発生する2つのIDT電極が存在した場合、一方のIDT電極の容量が他方のIDT電極の容量より小さいと、一方のIDT電極のインピーダンスが相対的に高くなる。このため、一方のIDT電極により大きな電力が負荷することになり、より多くのIMDが発生することとなる。
本実施形態においては、弾性表面波共振子41〜43のIDT電極44の合成容量C1が、縦結合共振子型弾性表面波フィルタ21の入力IDT電極24a、24b、27a、27bの合成容量C2よりも小さくされている。そのため、弾性表面波共振子41〜43により大きな電力がかかる。しかしながら、弾性表面波共振子41〜43は1つの弾性表面波共振子を直列に接続されている3つの弾性表面波共振子に分割したものである。弾性表面波共振子を、容量を変えずに3つに分割することにより、IDT電極の総面積は約3倍になるため、単位面積あたりの消費電力を小さくすることができる。その結果、IMDの発生を抑制することができ、優れた伝送特性を実現できる。
以下、この伝送特性を向上できるという効果について、実施例及び比較例に基づいて詳細に説明する。
(実施例1)
実施例1として、上記実施形態において説明した弾性表面波デュプレクサ1と同様の構成を有する弾性表面波分波器を下記の設計パラメータで作製した。
(実施例1の設計パラメータ)
縦結合共振子型弾性表面波フィルタ部22:
交叉幅:46μm
IDT電極25a、26aにおける電極指の本数:28本(うち、狭ピッチ電極指部における電極指の本数:8本)
IDT電極24aにおける電極指の本数:71本(うち、IDT電極25a側の狭ピッチ電極指部における電極指の本数:4本、IDT電極26a側狭ピッチ電極指部における電極指の本数:4本)
反射器30a、31aにおける電極指の本数:65本
IDT電極24a、25a、26aのデューティー比:0.64
電極膜厚:0.091λI(ただし、λIはIDT電極の電極指のピッチで決まる弾性表面波の波長である。)
IDT電極27a〜29a及び反射器32a、33aの設計パラメータはIDT電極24a〜26a及び反射器30a、31aと同じである。
縦結合共振子型弾性表面波フィルタ部23:IDT電極25b、26b、28b、29bが反転されていること以外は、縦結合共振子型弾性表面波フィルタ部22と実質的に同じ設計を有する。
弾性表面波共振子41〜43:
弾性表面波共振子41におけるIDT電極44の電極指のピッチ:890.0nm
弾性表面波共振子42におけるIDT電極44の電極指のピッチ:892.5nm
弾性表面波共振子43におけるIDT電極44の電極指のピッチ:895.0nm
IDT電極44の交叉幅:27μm
IDT電極44の電極指の本数:213本
反射器45,46の電極指の本数:18本
IDT電極44の電極指のデューティー比:0.55
電極膜厚:0.095λII(ただし、λIIは弾性表面波共振子42のIDT電極44の電極指のピッチで決まる弾性表面波の波長である。)
なお、IDT電極の容量は交叉幅、対数(本数から1を引き、2で割った数値に相当)、及びデューティー比の積に比例する。本実施例では、弾性表面波共振子41〜43の合成容量C1は、交叉幅(27μm)×対数(106対)×デューティー比(0.55)÷3≒524.7である。入力IDT電極24a、24b、27a、27bの合成容量C2は、交叉幅(46μm)×対数(35対)×デューティー比(0.64)×4≒4121.6である。従って、本実施例では、C1<C2である。このため、弾性表面波共振子41〜43の方に、入力IDT電極24a、24b、27a、27bよりも大きな電力がかかることとなる。
(実施例2)
アンテナ端子12と受信フィルタ20との間に直列に接続されている弾性表面波共振子の数を2つとし、それら2つの弾性表面波共振子の合成容量が、実施例1における弾性表面波共振子41〜43の合成容量C1と同じとなるように、電極指の交叉幅及び対数を設定した。具体的には、以下の設計パラメータ以外は、上記実施例1と同様とした。
第1、第2の弾性表面波共振子:
IDT電極の交叉幅:21.2μm
IDT電極の電極指の本数:201本
(比較例1)
アンテナ端子12と受信フィルタ20との間に直列に接続されている弾性表面波共振子の数を1つとし、その弾性表面波共振子の容量が、実施例1における弾性表面波共振子41〜43の合成容量C1と同じとなるように、電極指の交叉幅及び対数を設定した。具体的には、以下の設計パラメータ以外は、上記実施例1と同様とした。
弾性表面波共振子:
IDT電極の交叉幅:15.9μm
IDT電極の電極指の本数:121本
図3に、以下の条件下における実施例1,2及び比較例におけるIMDを示す。
送信信号の周波数(Tx)・・1950MHz
受信信号の周波数(Rx)・・2140MHz
妨害波信号の周波数(2Tx−Rx)・・1760MHz
送信信号の電力(アンテナ端子にて)・・+21dBm
妨害波信号の電力(アンテナ端子にて)・・−15dBm
※Rx端1、2にバランを接続し、Rx端から出力されるIMDを測定
図3に示す結果から、アンテナ端子12と受信フィルタ20との間に直列に接続する弾性表面波共振子の数量を多くすることにより、発生するIMDのレベルを低くできることがわかる。この理由としては、弾性表面波共振子の数量を多くすることにより、IDT電極の単位面積あたりの消費電力を低くできたためであると考えられる。
図4に、上記実施例1における受信フィルタ20の挿入損失を示す。また、弾性表面波共振子41〜43の電極指のピッチを、すべて892.5nmとし、弾性表面波共振子41〜43の周波数特性を等しくしたこと以外は実施例1と同様の構成を有する実施例3における受信フィルタの挿入損失を図5に示す。
図5に示すように、弾性表面波共振子41〜43の周波数特性を等しくした実施例3においては、通過帯域内に複数のリップルが発生していることがわかる。それに対して、図4に示すように、弾性表面波共振子41〜43で周波数特性を互いに異ならせた実施例1では、通過帯域内のリップルが抑圧されていることがわかる。
このように、アンテナ端子と受信フィルタとの間に直列に接続する弾性表面波共振子を複数にする場合は、複数の弾性表面波共振子で、周波数特性を異ならしめることによって通過帯域内のリップルを抑圧できることが分かる。
なお、通過帯域内のリップルを抑圧できるのは、以下の理由によるものと考えられる。すなわち、図6に示すように、弾性表面波共振子のそれぞれは、受信フィルタの通過帯域内にリップルを有する。アンテナ端子と受信フィルタとの間に直列に接続されている複数の弾性表面波共振子の周波数特性が同じである場合は、上記リップルが同じ位置に生じ、強めあって大きなリップルになる。その結果、優れた伝送特性が得られなくなるものと考えられる。それに対して、実施例1のように、アンテナ端子と受信フィルタとの間に直列に接続されている複数の弾性表面波共振子の周波数特性が互いに異なっている場合は、上記リップルの周波数位置が異なるため、大きなリップルが発生せず、優れた伝送特性が得られるものと考えられる。
なお、上記実施例1では、弾性表面波共振子41〜43の周波数特性を、3つのIDT電極44の電極指のピッチを互いに異ならしめることにより異ならせた。ただし、本発明は、これに限定されない。例えば、3つのIDT電極44の電極指のデューティー比を互いに異ならしめることにより周波数特性を異ならせてもよい。3つのIDT電極44の電極指のピッチ及びデューティー比の両方を互いに異ならしめることにより周波数特性を異ならせてもよい。
また、上記実施形態では、アンテナ端子12と受信フィルタ20との間に3つの弾性表面波共振子41〜43を直列に接続した例について説明した。但し、本発明は、この構成に限定されない。本発明においては、アンテナ端子と受信フィルタとの間に直列に接続する弾性波共振子の個数を2つにしてもよいし、4つ以上にしてもよい。また、弾性表面波共振子が3つ以上の場合は、リップルを抑制できれば、必ずしもすべての弾性表面波共振子で周波数特性を互いに異ならせる必要はない。例えば、弾性表面波共振子が3つの場合、うち2つの弾性表面波共振子で周波数特性を異ならせるだけでも、リップルを抑制できる。
(第1の変形例)
図7は、第1の変形例に係る弾性境界波分波器の一部分の略図的断面図である。
上記実施形態では、本発明を実施した好ましい形態について、弾性表面波を利用した縦結合共振子型弾性表面波フィルタ21によって構成されている受信フィルタ20を備えた弾性表面波デュプレクサ1を例に挙げて説明した。但し、本発明に係る弾性波分波器は、弾性表面波分波器に限定されない。例えば、本発明に係る弾性波分波器は、図7に示すように、圧電基板10の上に電極11を覆うように第1及び第2の誘電体層50,51が形成されている、弾性境界波を利用した弾性境界波分波器であってもよい。また、第1及び第2の誘電体層50,51のうち、第1の誘電体層50のみを設けてもよい。なお、第1及び第2の誘電体層50,51の材質は弾性境界波を励振できるものであれば、特に限定されない。例えば、第1の誘電体層50を酸化ケイ素により形成し、第2の誘電体層51を窒化ケイ素により形成することができる。
1…弾性表面波デュプレクサ
10…圧電基板
11…電極
12…アンテナ端子
13…送信端子
14a…第1の受信端子
14b…第2の受信端子
15…送信フィルタ
20…受信フィルタ
21…縦結合共振子型弾性表面波フィルタ
22…第1の縦結合共振子型弾性表面波フィルタ部
23…第2の縦結合共振子型弾性表面波フィルタ部
24a〜29a、24b〜29b…IDT電極
24a、24b、27a、27b…入力IDT電極
30a〜33a、30b〜33b…反射器
41〜43…弾性表面波共振子
44…IDT電極
45,46…反射器
50…第1の誘電体層
51…第2の誘電体層
60…インダクタ

Claims (6)

  1. アンテナ端子と、
    アンテナ端子に接続されている送信フィルタと、
    前記アンテナ端子に接続されており、弾性波伝搬方向に沿って配列された複数のIDT電極を有する縦結合共振子型弾性波フィルタにより構成されている受信フィルタと、
    前記アンテナ端子と前記受信フィルタとの間に直列に接続されている複数の弾性波共振子と、
    を備え、
    前記複数の弾性波共振子の合成容量C1が、前記複数のIDT電極のうちの前記アンテナ端子側に接続されているIDT電極の容量C2よりも小さい、弾性波分波器。
  2. 前記複数の弾性波共振子のうちの少なくとも2つの弾性波共振子は、周波数特性が互いに異なっている、請求項1に記載の弾性波分波器。
  3. 前記少なくとも2つの弾性波共振子は、電極指のピッチが互いに異なっている、請求項2に記載の弾性波分波器。
  4. 前記少なくとも2つの弾性波共振子は、電極指のデューティー比が互いに異なっている、請求項2または3に記載の弾性波分波器。
  5. 前記弾性波共振子が3つ以上設けられている、請求項1〜4のいずれか一項に記載の弾性波分波器。
  6. 弾性表面波分波器または弾性境界波分波器である、請求項1〜5のいずれか一項に記載の弾性波分波器。
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