(57)【要約】【課題】小型高Ｑの周波数可変共振器およびフィルタを構成する。【解決手段】周波数可変共振器２０１は圧電薄膜共振子１０１とこれに接続された付加回路とで構成されている。付加回路は３ｄＢハイブリッド回路５１、終端抵抗Ｒおよび移相器６１を備えている。圧電薄膜共振子１０１は第１共振子Ｘ１および第２共振子Ｘ２を備えている。移相器６１は外部から与えられる制御電圧によって移相量を切り替える。これにより、第１共振子Ｘ１および第２共振子Ｘ２は移相器６１の移相量に応じて同相共振または逆相共振する。同相共振と逆相共振とでは共振周波数が異なるので、周波数可変共振器２０１は移相器６１に対する制御電圧によって、ポートＰから見た回路の共振周波数が切り替わる周波数可変共振器として作用する。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧電膜とこの圧電膜を挟む電極膜とを含む共振部が複数層に亘って積層された共振子と、この共振子に接続された付加回路とを備えた周波数可変共振器であって、
前記付加回路は、入力信号を分配する分配器と、この分配器の出力側に接続され、前記分配された信号に位相差をもたせる移相器とを備え、
前記移相器は、前記複数の共振部のうち少なくとも２つの共振子に対する信号に同相信号を供給する状態と逆相信号を供給する状態とを切り替えることを特徴とする周波数可変共振器。
【請求項２】
前記共振子は、凹部が形成された基板と、この基板の凹部上に形成された積層部で構成されていて、
前記積層部は、少なくとも第１の電極膜、第１の圧電膜、第２の電極膜、第２の圧電膜および第３の電極膜の積層構造を含む、請求項１に記載の周波数可変共振器。
【請求項３】
前記共振子は、音響反射層が形成された基板と、この基板の音響反射層上に形成された積層部で構成されていて、
前記積層部は、少なくとも第１の電極膜、第１の圧電膜、第２の電極膜、第２の圧電膜および第３の電極膜の積層構造を含む、請求項１に記載の周波数可変共振器。
【請求項４】
前記少なくとも２つの共振子は、単独で動作するときの共振周波数がほぼ等しい、請求項１〜３のいずれかに記載の周波数可変共振器。
【請求項５】
前記分配器は、ＲＦポート、アイソレーションポート、スルーポート、およびカップリングポートを備える３ｄＢハイブリッド回路であり、
前記移相器は前記カップリングポートに接続され、−９０°および＋９０°移相する、請求項１〜４のいずれかに記載の周波数可変共振器。
【請求項６】
前記分配器は、入力ポートと２つの分配ポートを備え、等電力等位相で電力を分配する電力分配器であり、
前記移相器は前記電力分配器の分配ポートの一方に接続され、０°および１８０°移相する、請求項１〜４のいずれかに記載の周波数可変共振器。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれかに記載の周波数可変共振器と、この周波数可変共振器が接続された信号線路とで構成されたフィルタ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は周波数可変共振器に関し、特に高Ｑの周波数可変共振器およびそれを備えたフィルタに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、可変容量素子は、MEMS技術を使用するなどして高Ｑ化が図られている。しかし、小型インダクタについては高Ｑ化が困難であるため、高Ｑの周波数可変共振回路を構成することは困難であった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０００−３０７３７７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ＳＡＷデバイスやＢＡＷデバイスにおいては、小型高Ｑの共振器やフィルタを構成できるが、周波数可変の素子を実現することは極めて困難である。例えば特許文献１には、高次の共振モードを利用することで機械的強度を保持したまま高い共振周波数を得るようにした圧電共振子が示されている。しかし、このような圧電共振子においても、共振周波数は固定であり、所望の共振周波数に切り替えることはできない。
【０００５】
本発明の目的は、小型高出力高Ｑの周波数可変共振器およびフィルタを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
（１）本発明の周波数可変共振器は、圧電膜とこの圧電膜を挟む電極膜とを含む共振部が複数層に亘って積層された共振子と、この共振子に接続された付加回路とを備えた周波数可変共振器であって、
前記付加回路は、入力信号を分配する分配器と、この分配器の出力側に接続され、前記分配された信号に位相差をもたせる移相器とを備え、
前記移相器は、前記複数の共振部のうち少なくとも２つの共振子に対する信号に同相信号を供給する状態と逆相信号を供給する状態とを切り替えることを特徴とする。
【０００７】
この構成では、複数の共振子を動作させる際、同相信号により動作させる状態と逆相信号により動作させる状態を切り替えることによって、共振器（周波数可変共振器）の共振周波数を切り替えることができる。
【０００８】
（２）前記共振子は、凹部が形成された基板と、この基板の凹部上に形成された積層部で構成されていて、前記積層部は、第１の電極膜、第１の圧電膜、第２の電極膜、第２の圧電膜および第３の電極膜の積層構造を含むことが好ましい。すなわちFBAR（Film Bulk Acoustic Resonator）タイプの圧電薄膜共振子である。
【０００９】
（３）前記共振子は、音響反射層が形成された基板と、この基板の音響反射層上に形成された積層部で構成されていて、前記積層部は、第１の電極膜、第１の圧電膜、第２の電極膜、第２の圧電膜および第３の電極膜の積層構造を含むことが好ましい。すなわち、SMR（Solidly-Mounted Resonator）タイプの圧電薄膜共振子である。
【００１０】
（４）前記少なくとも２つの共振子は、単独で動作するときの共振周波数がほぼ等しいことが好ましい。これにより、共振部の同相振動および逆相振動の両振動モードでの損失を小さくできる。
【００１１】
（５）前記分配器は、ＲＦポート、アイソレーションポート、スルーポート、およびカップリングポートを備える３ｄＢハイブリッド回路であり、前記移相器は前記カップリングポートに接続され、−９０°および＋９０°移相するものであることが好ましい。
【００１２】
この構成により、ＲＦポートから見て、同相振動および逆相振動で共振周波数の異なる一つの共振器として見えるように動作させることができる。
【００１３】
（６）前記分配器は、入力ポートと２つの分配ポートを備え、等電力等位相で電力を分配する電力分配器であり、前記移相器は前記電力分配器の分配ポートの一方に接続され、０°および１８０°移相するものであることが好ましい。
【００１４】
この構成により、入力ポートから見て、同相振動および逆相振動で共振周波数の異なる一つの共振器として見えるように動作させることができる。
【００１５】
（７）本発明のフィルタは、（１）〜（６）のいずれかに記載の周波数可変共振器と、この周波数可変共振器が接続された信号線路とで構成されている。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、複数の共振子を動作させる際、同相信号により動作させる状態と逆相信号により動作させる状態を切り替えることによって、共振周波数を切り替えることができ、共振部の特性をそのまま活かして、小型高Ｑの周波数可変共振器およびフィルタが構成できる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】図１（Ａ）、図１（Ｂ）は第１の実施形態に係る周波数可変共振器に備えられる共振子の断面図である。
【図２】図２（Ａ）、図２（Ｂ）は、第２の電極膜の電位を基準とする、第１共振子Ｘ１および第２共振子Ｘ２への印加電圧Ｖｘ１，Ｖｘ２の波形図である。
【図３】図３は周波数可変共振器２０１の構成図である。
【図４】図４は周波数可変共振器２０１の等価回路図である。
【図５】図５（Ａ）、図５（Ｂ）は移相器６１の移相量を切り替えた２つの状態を示す図である。
【図６】図６（Ａ）、図６（Ｂ）は第２の実施形態に係る周波数可変共振器の等価回路図である。
【図７】図７は第３の実施形態に係る周波数可変共振器の等価回路図である。
【図８】図８（Ａ）、図８（Ｂ）はいずれも周波数可変共振器を備えたフィルタの回路図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
《第１の実施形態》
図１（Ａ）、図１（Ｂ）は第１の実施形態に係る周波数可変共振器に備えられる共振子の断面図である。図１（Ａ）に示される圧電薄膜共振子１０１はFBARタイプの圧電薄膜共振子、図１（Ｂ）に示される圧電薄膜共振子１０２はSMRタイプの圧電薄膜共振子である。
【００１９】
図１（Ａ）に示す圧電薄膜共振子は、凹部１１ｄが形成された基板１１と、この基板１１の凹部１１ｄ上に形成された積層部で構成されている。この積層部は、第１の電極膜２１、第１の圧電膜３１、第２の電極膜２２、第２の圧電膜３２および第３の電極膜２３の積層構造を含んでいる。第１の圧電膜３１に対する電圧は第１の電極膜２１と第２の電極膜２２とで印加され、第２の圧電膜３２に対する電圧は第２の電極膜２２と第３の電極膜２３とで印加される。すなわち第２の電極膜２２は共通電極として用いられる。
【００２０】
図１（Ｂ）に示す圧電薄膜共振子は、音響反射層（音響反射器）４０が形成された基板１１と、この基板１１上に形成された積層部で構成されている。この積層部は、第１の電極膜２１、第１の圧電膜３１、第２の電極膜２２、第２の圧電膜３２および第３の電極膜２３の積層構造を含んでいる。図１（Ａ）の例と同様に、第１の圧電膜３１に対する電圧は第１の電極膜２１と第２の電極膜２２とで印加され、第２の圧電膜３２に対する電圧は第２の電極膜２２と第３の電極膜２３とで印加される。
【００２１】
図１（Ａ）、図１（Ｂ）において、圧電薄膜共振子１０１の第１の電極膜２１と第２の電極膜２２とで挟まれる領域が第１共振子Ｘ１として作用し、第３の電極膜２３と第２の電極膜２２とで挟まれる領域が第２共振子Ｘ２として作用する。２つの共振子Ｘ１，Ｘ２は、単独で動作するときの共振周波数はほぼ等しい。そのため、２つの共振子Ｘ１，Ｘ２の同相振動および逆相振動の両振動モードでの損失が小さくできる。
【００２２】
ここで、第２の電極膜２２に対する第１の電極膜２１の印加電圧と、第２の電極膜２２に対する第３の電極膜２３の印加電圧とが同相であるとき、２つの共振子Ｘ１，Ｘ２は逆相振動する。そして、第２の電極膜２２に対する第１の電極膜２１の印加電圧と、第２の電極膜２２に対する第３の電極膜２３の印加電圧とが逆相であるとき、２つの共振子Ｘ１，Ｘ２は同相振動する。
【００２３】
図２（Ａ）、図２（Ｂ）は、第２の電極膜の電位を基準とする、第１共振子Ｘ１および第２共振子Ｘ２への印加電圧Ｖｘ１，Ｖｘ２の波形図である。図２（Ａ）の例では、第２の電極膜に対する第１の電極膜の電圧位相と第２の電極膜に対する第３の電極膜の電圧位相とが同相であるので、２つの共振子Ｘ１，Ｘ２は逆相駆動される。図２（Ｂ）の例では、第２の電極膜に対する第１の電極膜の電圧位相と第２の電極膜に対する第３の電極膜の電圧位相とが逆相であるので、２つの共振子Ｘ１，Ｘ２は同相駆動される。
【００２４】
２つの共振子Ｘ１，Ｘ２が同相駆動されると、第１の電極膜２１、第１の圧電膜３１、第２の電極膜２２、第２の圧電膜３２および第３の電極膜２３の積層体は一体として振動する。すなわち、圧電薄膜共振子は積層体の厚みを有する一つの共振子として共振周波数ｆ１で共振する。一方、２つの共振子Ｘ１，Ｘ２が逆相駆動されると、共振子Ｘ１，Ｘ２それぞれは逆位相で別々に振動する。したがって、このときの圧電薄膜共振子の共振周波数ｆ２はｆ１より高い。
【００２５】
図３は周波数可変共振器２０１の構成図である。また、図４はこの周波数可変共振器２０１の等価回路図である。この周波数可変共振器２０１は、圧電薄膜共振子１０１とこれに接続された付加回路とで構成されている。付加回路は３ｄＢハイブリッド回路５１、終端抵抗Ｒおよび移相器６１を備えている。移相器６１は例えば外部から与えられる制御電圧によって移相量を切り替える。
【００２６】
周波数可変共振器２０１はポートＰから見た回路が共振器に見え、移相器６１に対する制御電圧によって、ポートＰから見た回路の共振周波数が切り替わる周波数可変共振器として作用する。
【００２７】
前記共振器１０１は、図４に示すように、機械的に結合し、電気的には分離された第１共振子Ｘ１および第２共振子Ｘ２を備える。３ｄＢハイブリッド回路５１は、ＲＦポートＰｒｆ、アイソレーションポートＰｉ、スルーポートＰｓ、およびカップリングポートＰｃを備える。この移相器６１は−９０°および＋９０°移相する移相器である。
【００２８】
３ｄＢハイブリッド回路５１のスルーポートＰｓおよびカップリングポートＰｃには、ＲＦポートＰｒｆから入力されるＲＦ信号の等電力の信号が出力される。スルーポートＰｓの出力信号はＲＦポートＰｒｆの入力信号と同位相であり、カップリングポートＰｃから出力される信号の位相は−９０°である。（スルーポートＰｓから出力される信号とカップリングポートＰｃから出力される信号の位相差は９０°である。）
３ｄＢハイブリッド回路５１のスルーポートＰｓには第１共振子Ｘ１が接続され、カップリングポートＰｃと第２共振子Ｘ２との間に移相器６１が挿入されている。３ｄＢハイブリッド回路５１のアイソレーションポートＰｉは終端抵抗Ｒで終端されている。
【００２９】
図５（Ａ）、図５（Ｂ）は移相器６１の移相量を切り替えた２つの状態を示す図である。図５（Ａ）は移相器６１が−９０°の移相を行う場合の例である。この状態で、第１共振子Ｘ１はＲＦ入力信号とほぼ同相で共振する。カップリングポートＰｃから９０°遅れた信号が移相器６１によって更に９０°遅れることにより、第２共振子Ｘ２は１８０°遅れた信号で共振する。すなわち、共振子Ｘ１と共振子Ｘ２とは逆相で共振する。さらに、共振子Ｘ１の反射波はある位相差αで反射する（共振の場合α＝１８０°、反共振の場合α＝０°である。）。同様に、共振子Ｘ２も位相差αで反射するが、もとより逆相なので、反射波の位相は（−１８０°＋α）である。この反射波の位相は移相器６１でさらに９０°遅れ、カップリングポートＰｃでは（−２７０＋α）＝９０°＋αとなる。９０°位相差の２つの信号が３ｄＢハイブリッド回路５１のスルーポートＰｓおよびカップリングポートＰｃに入力されることにより、ＲＦポートＰｒｆへ反射位相αの信号が戻る。
【００３０】
図５（Ｂ）は移相器６１が＋９０°の移相を行う場合の例である。この状態で、第１共振子Ｘ１はＲＦ入力信号とほぼ同相で共振する。カップリングポートＰｃから９０°遅れた信号が移相器６１によって位相差０°に戻ることにより、第２共振子Ｘ２はＲＦ入力信号とほぼ同位相の信号で共振する。すなわち、共振子Ｘ１と共振子Ｘ２とは同相で共振する。さらに、共振子Ｘ１の反射波はある位相差αで反射する。同様に、共振子Ｘ２も位相差αで反射する。この反射波は移相器６１で９０°進み、カップリングポートＰｃでは９０°＋αとなる。９０°位相差の２つの信号が３ｄＢハイブリッド回路５１のスルーポートＰｓおよびカップリングポートＰｃに入力されることにより、ＲＦポートＰｒｆへ、反射位相αの信号が戻る。
【００３１】
こうして、図５（Ａ）、図５（Ｂ）のいずれの状態でも、ＲＦポートＰｒｆから見るとこの回路は一つの共振器として動作する。
【００３２】
《第２の実施形態》
図６（Ａ）、図６（Ｂ）は第２の実施形態に係る周波数可変共振器の等価回路図である。第２の実施形態ではバラン（平衡-不平衡変換器）を分配器に利用した例である。
【００３３】
図６（Ａ）に示す周波数可変共振器２０２Ａは、バラン５２、移相器６１および共振子Ｘ１，Ｘ２を備えている。図４に示した例と異なり、バラン５２の第１平衡ポートＰｂ１に第１共振子Ｘ１が接続され、第２平衡ポートＰｂ２と第２共振子Ｘ２との間に移相器６１が挿入されている。
【００３４】
この移相器６１は０°および１８０°移相する移相器である。移相器６１の移相量が０°のとき、第２共振子Ｘ２への印加電圧は第１共振子Ｘ１への印加電圧とは逆位相となる。すなわち、共振子Ｘ１と共振子Ｘ２とは逆相で共振する。
【００３５】
移相器６１の移相量が１８０°のとき、第２共振子Ｘ２への印加電圧は第２平衡ポートＰｂ２から出力される１８０°遅れた信号が移相器６１によって位相差０°に戻るので、第２共振子Ｘ２への印加電圧は第１共振子Ｘ１への印加電圧とは同位相となる。すなわち、共振子Ｘ１と共振子Ｘ２とは同相で共振する。
【００３６】
図６（Ｂ）に示す周波数可変共振器２０２Ｂは、平衡ポートＰｂ１，Ｐｂ２の位相が、不平衡ポートＰｕに対して９０°，−９０°の関係である場合の例である。移相器６１の移相量が０°のとき、第２共振子Ｘ２への印加電圧は第１共振子Ｘ１への印加電圧とは逆位相となる。すなわち、共振子Ｘ１と共振子Ｘ２とは逆相で共振する。
【００３７】
移相器６１の移相量が１８０°のとき、第２平衡ポートＰｂ２から出力される９０°遅れた信号が移相器６１によって位相差９０°になるので、第２共振子Ｘ２への印加電圧は第１共振子Ｘ１への印加電圧とは同相となる。すなわち、共振子Ｘ１と共振子Ｘ２とは逆相で共振する。
【００３８】
いずれにしても、バラン５２と移相量を０°と１８０°に切り替える移相器６１を用いることで、共振子Ｘ１および共振子Ｘ２の逆相共振、同相共振を切り替えることができる。
【００３９】
《第３の実施形態》
図７は第３の実施形態に係る周波数可変共振器２０３の等価回路図である。第３の実施形態では電力分配器５３を備えた例である。この電力分配器５３はウィルキンソン型パワーデバイダである。第１分配ポートに第１共振子Ｘ１が接続され、第２分配ポートと第２共振子Ｘ２との間に移相器６１が挿入されている。電力分配器５３は入力信号を等位相等電力で分配するので、移相器６１が移相量を０°と１８０°に切り替えることで、共振子Ｘ１および共振子Ｘ２の逆相共振、同相共振を切り替えることができる。
【００４０】
《第４の実施形態》
第４の実施形態では、周波数可変共振器を備えたフィルタの例を示す。図８（Ａ）、図８（Ｂ）はいずれも周波数可変共振器を備えたフィルタの回路図である。周波数可変共振器２０１の構成は第１の実施形態で示したとおりである。
【００４１】
図８（Ａ）において周波数可変共振器２０１は信号線路に対してシリーズに接続されている。このため、周波数可変共振器２０１の共振周波数を中心とする周波数帯域で通過特性を示す、チューナブルなＢＰＦフィルタとして作用する。
【００４２】
図８（Ｂ）の例では、周波数可変共振器２０１は信号線路に対してシャントに接続されている。このため、周波数可変共振器２０１の共振周波数を中心とする周波数帯域で阻止特性を示すチューナブルなＢＥＦフィルタとして作用する。
【００４３】
なお、以上に示した各実施形態では、FBARタイプまたはSMRタイプの圧電薄膜共振子を用いた例を示したが、圧電膜とこの圧電膜を挟む電極膜とで構成される振動部が複数層に亘って積層された共振子であれば適用できるので、支持基板の無い構造の共振子を用いてもよい。
【００４４】
また、以上に示した各実施形態では、圧電薄膜を２層備えた圧電薄膜共振子を用いた例を示したが、圧電薄膜は３層以上備えていてもよい。すなわち、共振子は３つ以上であってもよい。
【００４５】
また、本発明の分配器としては、３ｄＢハイブリッド回路、バラン、ウィルキンソン型パワーデバイダ以外にブランチラインハイブリッド、ランゲカプラ、カップルドラインハイブリッドなど、どのようなカプラも使用することができる。
【００４６】
また、移相器としては、ブランチラインタイプ、スイッチドラインタイプ、ハイブリッドタイプ、HPF-LPFタイプなど、どのようなタイプの移相器も使用できる。
【符号の説明】
【００４７】
Ｐ…ポート
Ｐｂ１…第１平衡ポート
Ｐｂ２…第２平衡ポート
Ｐｃ…カップリングポート
Ｐｉ…アイソレーションポート
Ｐｒｆ…ＲＦポート
Ｐｓ…スルーポート
Ｐｕ…不平衡ポート
Ｒ…終端抵抗
Ｘ１…第１共振子
Ｘ２…第２共振子
１１…基板
１１ｄ…凹部
２１…第１の電極膜
２２…第２の電極膜
２３…第３の電極膜
３１…第１の圧電膜
３２…第２の圧電膜
５１…３ｄＢハイブリッド回路
５２…バラン
５３…電力分配器
６１…移相器
１０１、１０２…圧電薄膜共振子
２０１，２０２Ａ，２０２Ｂ，２０３…周波数可変共振器
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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