(57)【要約】【課題】  簡易な構成で、高周波数帯域において低損失且つ高Ｑ値のマイクロ波フィルタ及び高Ｑ値の高周波振動子を提供する。【解決手段】  Ｑ値の高い同一の水晶基板１上に振動子２とバンドパスフィルタ３とを設け、振動子２の高次オーバトーンを利用して、振動子２の出力端子に接続するバンドパスフィルタ３のマイクロストリップライン４のオーバーラップ部分の長さを、所望の通過周波数のλg／４の電気長となるよう形成したマイクロ波フィルタ及び高周波振動子である。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
振動子とバンドパスフィルタとを有するマイクロ波フィルタであって、
前記振動子は、水晶基板の一方の面に形成された信号の入力端子と、前記水晶基板の他の面に該入力端子に対向して形成された出力端子とを備え、
前記バンドパスフィルタは、前記出力端子に接続し平行に配列された複数のマイクロストリップラインと、該複数のマイクロストリップラインに対向して前記水晶基板の一方の面に形成されたグランド面とを備え、
前記振動子が、基本波周波数成分と、奇数次の高調波成分を有する振動子であり、
前記バンドパスフィルタが、前記奇数次の高調波成分の内、いずれかの高調波成分を通過周波数として通過させ、前記基本波周波数成分及び他の不要な高調波成分を抑圧するバンドパスフィルタであることを特徴とするマイクロ波フィルタ。
【請求項２】
隣接するマイクロストリップライン同士の重なり部分の電気長が、所望の通過周波数の４分の１波長の長さであることを特徴とする請求項１記載のマイクロ波フィルタ。
【請求項３】
請求項１又は請求項２のマイクロ波フィルタを備えたことを特徴とするマイクロ波発振回路。
【請求項４】
振動子とバンドパスフィルタとを有する高周波振動子であって、
前記振動子は、水晶基板の一方の面に形成された信号の入力端子と、前記水晶基板の他の面に該入力端子に対向して形成された出力端子とを備え、
前記バンドパスフィルタは、前記出力端子に接続し平行に配列された複数のマイクロストリップラインと、該複数のマイクロストリップラインに対向して前記水晶基板の一方の面に形成されたグランド面とを備え、
前記振動子が、基本波周波数成分と、奇数次の高調波成分を有する振動子であり、
前記バンドパスフィルタが、前記奇数次の高調波成分の内、いずれかの高調波成分を通過周波数として通過させ、前記基本波周波数成分及び他の不要な高調波成分を抑圧するバンドパスフィルタであることを特徴とする高周波振動子。
【請求項５】
隣接するマイクロストリップライン同士の重なり部分の電気長が、所望の通過周波数の４分の１波長の長さであることを特徴とする請求項４記載の高周波振動子。
【請求項６】
請求項４又は請求項５記載の高周波振動子を備えたことを特徴とするマイクロ波発振回路。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水晶振動子を用いたマイクロ波フィルタ及び高周波振動子に係り、特に低損失且つ高Ｑ値を実現するマイクロ波フィルタ及び高周波振動子に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、マイクロ波帯フィルタとしては、導波管を用いたもの、伝送線路を用いたもの、積層セラミックを利用したもの等多くのものが提案され、実用化されている。
【０００３】
また、従来、振動子の基本波周波数ではなく、基本波周波数（f0）の奇数次の高調波成分（3f0,5f0；いわゆるオーバトーン周波数）を利用するオーバトーン発振回路があった。
また、Ｑ値が高いと、鋭い共振特性及びフィルタ特性が得られ、水晶は高いＱ値を備えている。
【０００４】
マイクロ波フィルタの先行技術としては、特開平０５−００７１２５号公報（特許文献１）、特開平０６−３３４４６８号公報（特許文献２）、特開２００２−０７６８４０号公報（特許文献３）、特開２００１−３０８６８０号公報（特許文献４）がある。
【０００５】
特許文献１には、表面波フィルタにおいて、圧電共振器の基板上にハイパス・ローパスなどのバンドパスフィルタを形成する構造が記載されている。
また、特許文献２には、弾性表面波装置において、圧電共振器の基板上にマイクロストリップラインなどの整合回路の一部を形成する構造が記載されている。
特許文献３には、表面波フィルタにおいて、圧電共振器の基板上にバンドパスフィルタを形成する構造が記載されている。
特許文献４には、圧電フィルタにおいて、水晶振動子と同じ基板上に二重モードフィルタを形成し、容量を並列接続することでバンドパス特性を有する構造が記載されている。
【０００６】
また、オーバトーン発振回路の先行技術としては、特開２００２−２３２２３４号公報（特許文献５）がある。
特許文献５には、振動周波数が厚みに反比例した厚みすべり振動姿態の水晶片から成る水晶振動子において、厚みの異なる第１振動領域と第２振動領域とを設け、一方を発振子とし、他方をフィルタを形成する共振子とし、第１振動領域波オーバトーン振動で動作し、第２振動領域は基本波振動で動作する複合型の振動子が記載されている。
【０００７】
【特許文献１】特開平０５−００７１２５号公報
【特許文献２】特開平０６−３３４４６８号公報
【特許文献３】特開２００２−０７６８４０号公報
【特許文献４】特開２００１−３０８６８０号公報
【特許文献５】特開２００２−２３２２３４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、上記特許文献１〜４に示す従来のフィルタは、数百ＭＨｚ帯域を目的としたものであり、１ＧＨｚ以上の高周波数帯域において、低損失且つ高Ｑ値を実現するフィルタを得ることができないという問題点があった。
【０００９】
また、上記特許文献５に示す従来の発振回路では、オーバトーン発振子及びオーバトーン共振子を用いて高周波数帯域で周波数の調整を容易にする構成が記載されているが、構成が複雑であり、製造工程が煩雑であるという問題点があった。
【００１０】
本発明は上記実状に鑑みて為されたもので、簡易な構成で、高周波数帯域において低損失且つ高Ｑ値のマイクロ波フィルタ及び高周波振動子を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記従来例の問題点を解決するための本発明は、振動子とバンドパスフィルタとを有するマイクロ波フィルタであって、振動子は、水晶基板の一方の面に形成された信号の入力端子と、水晶基板の他の面に該入力端子に対向して形成された出力端子とを備え、バンドパスフィルタは、出力端子に接続し平行に配列された複数のマイクロストリップラインと、該複数のマイクロストリップラインに対向して前記水晶基板の一方の面に形成されたグランド面とを備え、振動子が、基本波周波数成分と、奇数次の高調波成分を有する振動子であり、バンドパスフィルタが、奇数次の高調波成分の内、いずれかの高調波成分を通過周波数として通過させ、基本波周波数成分及び他の不要な高調波成分を抑圧するバンドパスフィルタであることをを特徴としている。
【００１２】
また、本発明は、上記マイクロ波フィルタにおいて、隣接するマイクロストリップライン同士の重なり部分の電気長が、所望の通過周波数の４分の１波長の長さであることを特徴としている。
【００１３】
また、本発明は、マイクロ波発振回路において、上記のいずれか記載のマイクロ波フィルタを備えたことを特徴としている。
【００１４】
また、本発明は、振動子とバンドパスフィルタとを有する高周波振動子であって、振動子は、水晶基板の一方の面に形成された信号の入力端子と、水晶基板の他の面に該入力端子に対向して形成された出力端子とを備え、バンドパスフィルタは、出力端子に接続し平行に配列された複数のマイクロストリップラインと、該複数のマイクロストリップラインに対向して水晶基板の一方の面に形成されたグランド面とを備え、振動子が、基本波周波数成分と、奇数次の高調波成分を有する振動子であり、バンドパスフィルタが、奇数次の高調波成分の内、いずれかの高調波成分を通過周波数として通過させ、基本波周波数成分及び他の不要な高調波成分を抑圧するバンドパスフィルタであることを特徴としている。
【００１５】
また、本発明は、上記高周波振動子において、隣接するマイクロストリップライン同士の重なり部分の電気長が、所望の通過周波数の４分の１波長の長さであることを特徴としている。
【００１６】
また、本発明は、マイクロ波発振回路において、上記のいずれか記載の高周波振動子を備えたことを特徴としている。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、マイクロ波フィルタにおいて、同一の水晶基板上に振動子とバンドパスフィルタとを設け、振動子が基本波周波数成分と、奇数次の高調波成分（オーバトーン）を有する振動子であり、バンドパスフィルタが、奇数次の高調波成分の内、いずれかの高調波成分を通過周波数として通過させ、基本波周波数成分及び他の不要な高調波成分を抑圧するマイクロストリップ型のバンドパスフィルタであるマイクロ波フィルタとしているので、金属パターンの形成等を一括して行うことができるため製造工程を簡易にすると共に、損失を抑えることができ、高いＱ値を備えた高周波数帯域用のフィルタを実現することができる効果がある。
【００１８】
また、本発明によれば、隣接するマイクロストリップライン同士の重なり部分の電気長が、所望の通過周波数の４分の１波長の長さであるマイクロ波フィルタとしているので、隣接するマイクロストリップライン同士の重なり部分の長さを変えることで、所望の通過周波数を通過させるフィルタを提供できる効果がある。
【００１９】
また、本発明によれば、上記構成のマイクロ波フィルタを備えたマイクロ波発振器を構成することにより、優れた位相雑音特性を持つマイクロ波発振器を実現することができる効果がある。
【００２０】
また、本発明によれば、高周波振動子において、同一の水晶基板上に振動子とバンドパスフィルタとを設け、振動子が基本波周波数成分と、奇数次の高調波成分（オーバトーン）を有する振動子であり、バンドパスフィルタが、奇数次の高調波成分の内、いずれかの高調波成分を通過周波数として通過させ、基本波周波数成分及び他の不要な高調波成分を抑圧するマイクロストリップ型のバンドパスフィルタである高周波振動子としているので、金属パターンの形成等を一括して行うことができるため製造工程を簡易にすると共に、損失を抑えることができ、高いＱ値を備えた高周波振動子を実現することができる効果がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。
本発明の実施の形態に係るマイクロ波フィルタは、Ｑ値の高い水晶基板を利用してフィルタ特性を改善し、高周波水晶振動子と、簡易なマイクロ波バンドパスフィルタとを組み合わせたマイクロ波フィルタであり、水晶振動子は高調波成分を利用し、バンドパスフィルタはマイクロストリップフィルタで形成して、水晶振動子とバンドパスフィルタとを同一水晶基板上に一括して形成したものであり、簡易な構成で低損失且つ高いＱ値を有するマイクロ波フィルタを実現するものである。
【００２２】
また、本発明の実施の形態に係る高周波振動子は、水晶振動子とバンドパスフィルタとを備え、水晶振動子は高調波成分を利用し、バンドパスフィルタはマイクロストリップフィルタで形成して、水晶振動子とバンドパスフィルタとを同一水晶基板上に一括して形成したものであり、簡易な構成で高周波振動子を利用することで優れた位相雑音特性を有するマイクロ波発振回路を実現するものである。
【００２３】
図１（ａ）は、本発明の実施の形態に係るマイクロ波フィルタ（本フィルタ）の構成を示す平面図であり、（ｂ）は、図１（ａ）のＡ−Ａ′断面図である。
図１（ａ）に示すように、本発明の実施の形態に係るマイクロ波フィルタは、水晶基板１に、振動子２と、バンドパスフィルタ３とが形成された構成である。また、（ｂ）に示すように、水晶基板１の底面部には、グランド面５及び入力電極６の金属配線が設けられている。
【００２４】
振動子２は、水晶基板１上に設けられた凹部に形成された振動子であり、基板底面の入力電極６を入力端子とし、基板上面の凹部の電極を出力端子としており、圧電体である水晶基板を電極で挟んで振動子２を構成している。
【００２５】
振動子２は、基本波周波数f0の他に、高調波成分として３次高調波の３f0や、５次高調波の５f0を出力する。
ここで例えば、振動子２を、基本波周波数が０．８ＧＨｚの振動子とすると、８００ＭＨｚ、２．４ＧＨｚ及び４ＧＨｚも合わせて出力するものである。
【００２６】
つまり、振動子２を２．４ＧＨｚ用のフィルタとして用いた場合には、０．８ＧＨｚ及び４ＧＨｚの周波数も通過することになる。そこで、本フィルタでは、不要な０．８ＧＨｚ及び４ＧＨｚの信号を除去するバンドパスフィルタ３を設けている。
【００２７】
バンドパスフィルタ３は、振動子２と同一の水晶基板上に一定間隔で平行に配列された信号線路と、基板底面に設けられたグランド面５とを備えた複数のマイクロストリップライン４から成るフィルタである。
【００２８】
特に、本フィルタでは、図１（ａ）に示すように、水晶振動子２の出力端子とマイクロストリップラインとが接続されて、共通の金属パターンで形成されている。
更に、本フィルタでは、所望の周波数の波長をλg（電気長）とした場合に、互いに平行に設置された隣接するマイクロストリップライン４同士の重なり部分（オーバーラップ部分）の長さが、λg／４となるように形成されている。本フィルタでは、マイクロストリップライン４の重なり部分の電気長は、２．４ＧＨｚに対してλg／４となっている。これにより、バンドパスフィルタ３は２．４ＧＨｚ帯域の信号を通過させるものである。
【００２９】
マイクロストリップライン４のオーバーラップ部分の電気長は、所望の周波数の４分の１波長（λg／４）としており、４ＧＨｚ帯域の信号を通過させたい場合には、その４分の１波長（λg／４）となるよう形成すればよい。
【００３０】
このようにして、本フィルタでは、同一の水晶基板１上に、振動子２と、マイクロストリップフィルタから成るバンドパスフィルタ３とを組み合わせて形成することにより、簡易な構成で、高性能の高周波帯用のフィルタを実現している。
【００３１】
これにより、例えば水晶基板１の表面において、振動子２の出力端子の電極パターンと、バンドパスフィルタ３のマイクロストリップライン４とを共通の蒸着及びパターニング工程で一体に形成できるものである。同様に、水晶基板１の裏面においてもグランド面５及び入力電極６の電極を一体に形成することができるため、製造工程を簡易にすることができるものである。
更に基板を共通とすることで、回路間の整合性を高め、電力損失を低減することができるものである。
【００３２】
上記構成のマイクロ波フィルタにおける動作について説明する。
図１（ａ）左上より必要波となる４ＧＨｚと不要波となる高周波が入力されると振動子２の共振周波数である基本波周波数の０．８ＧＨｚ、３倍高調波の２．４ＧＨｚ、５倍高調波の４ＧＨｚの信号は、振動子２を通過する。その他の周波数は抑制される。
【００３３】
０．８ＧＨｚ、２．４ＧＨｚ、４ＧＨｚの信号は、バンドパスフィルタ３に入力される。マイクロストリップライン４のオーバーラップ部の長さは、４ＧＨｚでλg／４なので、４ＧＨｚにおいてマイクロストリップのオーバーラップ部間で電磁結合及び容量結合により結合して、４ＧＨｚのみが取り出されて図１（ａ）右下に出力されると共に、基本波の０．８ＧＨｚや、２．４ＧＨｚの信号は除去される。
このようにして本装置が動作するものである。
【００３４】
本フィルタ回路の別の構成例について図２を用いて説明する。図２は、本フィルタの別の構成例を示す平面図である。
図２に示すマイクロ波フィルタは、振動子２′及びバンドパスフィルタ３′及びマイクロストリップライン４′といった個々の構成部分は図１に示したマイクロ波フィルタの各構成部分と同一のものであるが、図２のフィルタは、図１のフィルタの短手方向の辺に対して線対称の配置となっている。
【００３５】
つまり、図２のマイクロ波フィルタでは、右上から入力信号が入力され、振動子２′、マイクロストリップライン４′を経て、所望の通過周波数の信号が左下に出力されるものである。
【００３６】
また、図１及び図２に示したマイクロ波フィルタでは、マイクロストリップライン４は振動子２から接続する伝送線路に対して直交する向きに形成され、図示したフィルタの短手方向の辺に対して平行な向きで複数平行して配置されているが、振動子２から接続する伝送線路との角度を９０度以外の角度として、マイクロストリップライン４を斜めに平行に複数配列しても構わない。
【００３７】
また、図１及び図２に示したマイクロ波フィルタの入力と出力を逆にして、バンドパスフィルタ、振動子の順となるように構成しても、同様の特性を備えたフィルタとなるものである。
このように、同一の機能で種々の回路配置のフィルタを用意しておくことにより、種々の装置に組み込み易くなり、適用範囲を拡大することができるものである。
【００３８】
ここで、本フィルタの通過特性について図３を用いて説明する。図３は、本フィルタの通過特性を示す説明図である。
図３では、振動子のみの通過特性と、バンドパスフィルタのみの通過特性と、振動子とバンドパスフィルタを備えた本フィルタの通過特性とを比較して示している。
図３に示すように、振動子のみの場合、基本波周波数（f0）と３倍高調波（３f0）と５倍高調波（５f0）はいずれも通過している。また、バンドパスフィルタのみの場合、通過特性はなだらかな曲線となり、鋭い特性を持つものではない。振動子とバンドパスフィルタを組み合わせることにより、所望周波数である５倍高調波を選択的に通過させると共に、急峻なフィルタ特性となり、基本波周波数（f0）と３倍高調波（３f0）は通過が抑制される。
【００３９】
また、バンドパスフィルタ３は、図１及び図２に示した形状以外でも利用可能である。図４は、バンドパスフィルタ３の別の構成例を示す模式説明図であり、（ａ）はヘアピン型、（ｂ）はスパイラル型である。
バンドパスフィルタ３は、図４（ａ）に示すようなヘアピン型のマイクロストリップライン、（ｂ）に示すようなスパイラル型のマイクロストリップラインで構成することも可能であり、それぞれ所望の周波数を通過させる長さ及び形状にパターニングすればよい。
【００４０】
更にまた、本フィルタを用いてマイクロ波発振回路を構成することも可能である。図５は、本フィルタを用いたマイクロ波発振回路の構成ブロック図である。
図５に示すように、本実施の形態のマイクロ波フィルタを利用した発振回路は、５倍高調波を通過するマイクロ波フィルタと、信号を増幅するアンプと、遅延して位相変換する移相回路とから成るループを備え、５倍高調波（５f0）を出力する発振回路となっている。
【００４１】
本発明の実施の形態に係るマイクロ波フィルタによれば、Ｑ値の高い水晶基板１上に振動子２とバンドパスフィルタ３とを設け、振動子２の高次オーバトーンを利用して、バンドパスフィルタ３を構成するマイクロストリップライン４のオーバーラップ部分の長さを所望の周波数のλg／４となるよう形成しているので、例えば、基本波共振が０．８ＧＨｚの振動子の５次オーバトーンである４ＧＨｚの共振と、マイクロストリップライン４のオーバーラップ部分の長さを４ＧＨｚ信号のλg／４とすることにより、４ＧＨｚのバンドパスフィルタとして機能させることができ、簡易な構成で、高周波帯用の高性能のフィルタを実現できる効果がある。
【００４２】
また、本フィルタによれば、振動子２とバンドパスフィルタ３とを同一の水晶基板１上に設けたことにより、表面における振動子２の出力電極とバンドパスフィルタ３のマイクロストリップライン４の金属パターン形成、及び裏面におけるグランド面５と入力電極６の金属パターン形成を一括して行うことができ、製造工程を簡略化し、且つ電力損失の低減を図ることができる効果がある。
【００４３】
更に、本フィルタによれば、回路配置を反転させたフィルタ回路としてもよく、また、入力と出力を逆にしても利用することができ、これにより、様々な実装上の制約に柔軟に対応することができ、適用可能な装置を増やすことができる効果がある。
【００４４】
更にまた、本フィルタの構成はそのままマイクロ波発振回路にも利用することができ、優れた位相雑音特性を持つマイクロ波発振回路を提供することができる効果がある。
【００４５】
また、本発明の別の実施の形態として、図１，２，４に示した構成を高周波振動子として利用した例について説明する。このような高周波振動子を用いた発振回路について図６を用いて説明する。図６は、図１又は図２又は４に示した構成を備えた高周波振動子を用いた発振回路（本発振回路）の一例を示す概略回路説明図である。
図６に示すように、本発振回路は、高周波振動子１０と、ＣＭＯＳインバータ１１及び１２と、容量Ｃ１，Ｃ２と、抵抗Ｒ１，Ｒ２とから構成されており、高周波振動子１０の構成が、図１又は図２又は図４に示した構成となっている。
【００４６】
上記構成の発振回路において、抵抗Ｒ２は例えば１ＭΩであり、容量Ｃ１，抵抗Ｒ１の値を適宜設定することによりＣＭＯＳインバータ１２からの出力周波数を可変とすることができるものである。
【００４７】
本発明の別の実施の形態に係る高周波振動子によれば、簡易な構成で優れた位相雑音特性を備えた発振回路を実現できる効果がある。
【産業上の利用可能性】
【００４８】
本発明は、低損失且つ高Ｑ値を実現するマイクロ波フィルタ及び高周波振動子に適している。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】（ａ）は、本発明の実施の形態に係るマイクロ波フィルタ（本フィルタ）の構成を示す平面図であり、（ｂ）は、（ａ）のＡ−Ａ′断面図である。
【図２】本フィルタの別の構成例を示す平面図である。
【図３】本フィルタの通過特性を示す説明図である。
【図４】バンドパスフィルタ３の別の構成例を示す模式説明図であり、（ａ）はヘアピン型、（ｂ）はスパイラル型である。
【図５】本フィルタを用いたマイクロ波発振回路の構成ブロック図である。
【図６】図１又は図２又は図４の構成を備えた高周波振動子を用いた発振回路（本発振回路）の一例を示す概略回路説明図である。
【符号の説明】
【００５０】
１…水晶基板、  ２…振動子、  ３…バンドパスフィルタ、  ４…マイクロストリップライン、  ５…グランド面、  ６…入力電極、  １０…高周波振動子、  １１，１２…ＣＭＯＳインバータ
【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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