(57)【要約】【課題】波形歪，相互変調歪を改善した可変容量素子の容量調整方法、共振回路の共振周波数調整方法、及びフィルタの帯域調整方法を提供することにある。【解決手段】本発明は、支持基板上に、第１の容量電極と、第２の容量電極と、電圧により誘電率が変化する薄膜誘電体層から成る可変容量素子において、前記第１の容量電極にバイアス電圧と、制御電圧とが重畳して印加させたことを特徴とする容量調整方法である。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の容量電極と、第２の容量電極と、該両容量電極によって挟持され、且つ印加される電圧により誘電率が変化する薄膜誘電体層とから成る可変容量素子の容量調整方法において、
前記第１の容量電極と前記第２の容量電極層との間に、一定電圧のバイアス電圧と制御電圧とを重畳した電圧を印加して、前記薄膜誘電体層の誘電率を変化させることを特徴とする可変容量素子の容量調整方法。
【請求項２】
前記第１の容量電極、前記第２の容量電極及び前記薄膜誘電体層が、低誘電率の絶縁基板上に形成されていることを特徴とする請求項１記載の可変容量素子の容量調整方法。
【請求項３】
前記薄膜誘電体層が、（Ｂａｘ，Ｓｒ１−ｘ）ｙＴｉ１−ｙＯ３−Ｚから成ることを特徴とする請求項１記載の可変容量素子の容量調整方法。
【請求項４】
前記第１及び前記第２の容量電極層が、ＡｕまたはＰｔを有することを特徴とする請求項１記載の可変容量素子の容量調整方法。
【請求項５】
請求項１記載の可変容量素子の容量調整方法を用いた可変容量素子と、インダクタンス素子とで共振回路を構成するとともに、前記容量調整方法でもって共振回路の共振周波数を調整したことを特徴とする共振回路の共振周波数調整方法。
【請求項６】
請求項１記載の可変容量素子の容量調整方法を用いた複数の可変容量素子と、複数のインダクタンス素子とでフィルタを構成するとともに、前記容量調整方法でもってフィルタの帯域を調整したことを特徴とするフィルタの帯域調整方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、誘電損失が小さく高周波動作することができ、特に外部制御電圧の印加により誘電率が変化する薄膜誘電体層を有する可変容量素子の容量調整方法、共振回路の共振周波数調整方法、フィルタの帯域調整方法に関する。
【０００２】
【従来技術】
可変容量素子として、チタン酸ストロンチウムやチタン酸ストロンチウムバリウム等のペロブスカイト構造の強誘電体酸化物薄膜を薄膜誘電体層として用いて、第１の容量電極である下部電極層と、第２の容量電極である上部電極層との間に所定の電位（制御電圧）を与えて、薄膜誘電体層の誘電率を変化させる可変容量素子提案されていた（例えば特許文献１（特開平１１−２６０６６７号など）。
【０００３】
【特許文献１】
特開平１１−２６０６６７号
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上述のような可変容量素子では、その可変容量素子を通過する高周波信号の信号電圧が高い場合では、信号電圧によっても可変容量素子の容量変化を生じ、その結果、波形歪、相互変調歪等を生じるようになる。その結果、この可変容量素子を用いた共振回路では、所望の共振特性が得られず、また、フィルタ回路の帯域特性も所望の帯域特性が得られず、例えば、周波数軸上に隣接して設定された所望の通信チャネルを妨害する問題点が発生したり、さらに、受信感度を劣化させる等の問題点があった。
【０００５】
本発明の目的は、上述の問題点を解決するために、波形歪，相互変調歪を改善した可変容量素子の容量調整方法及びそれを用いた共振回路の共振周波数調整方法、フィルタの帯域調整方法を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明は、  第１の容量電極と、第２の容量電極と、該両容量電極によって挟持され、且つ印加される電圧により誘電率が変化する薄膜誘電体層とから成る可変容量素子の容量調整方法において、
前記第１の容量電極と第２の容量電極層との間に、一定電圧のバイアス電圧と制御電圧とを重畳した電圧を印加して、前記薄膜誘電体層の誘電率を変化させることを特徴とする可変容量素子の容量調整方法である。
【０００７】
また、前記第１の容量電極、第２の容量電極及び薄膜誘電体層が、低誘電率の絶縁基板上に形成されていることを特徴とする。
【０００８】
また、前記薄膜誘電体層が、（Ｂａｘ，Ｓｒ１−ｘ）ｙＴｉ１−ｙＯ３−Ｚから成ることを特徴とする。
【０００９】
また、前記第１及び第２の電極層が、ＡｕまたはＰｔを有することを特徴とする。
【００１０】
また、上述の可変容量素子の容量調整方法を用いた可変容量素子と、インダクタンス素子とで共振回路を構成するとともに、前記容量調整方法でもって共振回路の共振周波数を調整したことを特徴とする共振回路の周波数調整方法である。
【００１１】
さらに、上述の可変容量素子の容量調整方法を用いた複数の可変容量素子と、複数のインダクタンス素子とでフィルタを構成するとともに、前記容量調整方法でもってフィルタの帯域を調整したことを特徴とするフィルタの帯域調整方法である。
【００１２】
【作用】
本発明は、支持基板上に、第１の容量電極と、第２の容量電極と、電圧により誘電率が変化する薄膜誘電体層から成る可変容量素子の容量調整方法であって、前記第１の容量電極と第２の容量電極との間に、一定電圧のバイアス電圧と、制御電圧とが重畳して印加し、この合成された電圧によって薄膜誘電体層の誘電率を所定値に変化させ、もって、可変容量素子の容量値を調整している。即ち、薄膜誘電体層には、常に電圧が印加されており、その結果、信号電圧による波形歪を弱めることができる。
【００１３】
いま、制御電圧を無視して考えると、薄膜誘電体層には、バイアス電圧Ｖ１と信号電圧Ｖとが重畳されることになり、例えば、（｜Ｖ｜−｜Ｖ１｜）＝ΔＶの電圧差により、薄膜誘電体層の誘電率が変化する。尚、薄膜誘電体層を挟む第１の容量電極と第２の容量電極との対向面積は、一定であり、また、薄膜誘電体層の厚みも変化しないことから、この電位差によって可変容量素子の容量値を調整することができる。
【００１４】
可変容量素子のＣ−Ｖ曲線は概ね図２に示す特性となる。容量Ｃ１ａをバイアス電圧が０Ｖの場合の容量値と、Ｃ１ｂ及びＣ１ｃは、バイアス電圧が０Ｖの場合の信号電圧（容量可変素子を通過する例えば高周波信号の電圧）のピーク値での容量値とする。
【００１５】
したがって、信号電圧による容量値の変化は、（Ｃ１ａ−Ｃ１ｂ）＝ΔＣ１ｂ，（Ｃ１ａ−Ｃ１ｃ）＝ΔＣ１ｃとなる。この容量変化量により、波形歪を生じ、相互変調歪信号が大きくなる。これに対して本発明では一定バイアス電圧Ｖ１を印加ときの容量値Ｃ２ａとなり、尚、Ｃ２ｂ及びＣ２ｃはバイアス電圧としてＶ１を印加した場合、信号電圧にはＶ１のバイアス電圧が重畳された信号電圧のピーク値での容量値とする。したがって、バイアス電圧と信号電圧との重畳による容量値の変化は、（Ｃ２ａ−Ｃ２ｂ）＝ΔＣ２ｂ，（Ｃ２ａ−Ｃ２ｃ）＝ΔＣ２ｃとなる。従来のようにバイアス電圧が０Ｖの場合と容量変化を比較すると、｜ΔＣ１ｂ＋ΔＣ１ｃ｜＞｜ΔＣ２ｂ＋ΔＣ２ｃ｜となり、容量変化による波形歪を軽減でき、相互変調歪信号を抑えることができる。即ち、薄膜誘電体層に、バイアス電圧Ｖ１に必要に応じて制御電圧を重畳した電圧を印加すれば、従来のように、制御電圧のみを印加した場合に比較して、波形歪を軽減でき、相互変調歪信号を抑えることができことになる。
【００１６】
また、支持基板に、低誘電率である絶縁基板を用いることにより、電界が支持基板側に漏れることを低減でき、バイアス電圧と制御電圧とを効果的に薄膜誘電体層に印加することができるため、誘電体の制御電圧に対する容量変化率を最大限に利用できる可変容量素子が得られる。
【００１７】
また、薄膜誘電体層に（Ｂａｘ，Ｓｒ１−ｘ）ｙＴｉ１−ｙＯ３−Ｚを用いることにより、容量変化率が大きく損失が小さい可変容量素子が得られる。
【００１８】
また、電極層にＡｕ，Ｐｔなどの貴金属を用いることより、電極の低抵抗化が実現でき、損失が小さい可変容量素子が得られる。
【００１９】
さらに、上述の本発明は可変容量素子の容量調整方法に適応された可変容量素子と少なくともインダクタンス成分とで共振回路を構成し、前記容量調整方法でもって共振回路の共振周波数を調整するため、相互変調歪を抑えることができる。
【００２０】
またさらに、請求項１記載の可変容量素子の容量調整方法に適応された可変容量素子と少なくともインダクタンス成分とでフィルタを構成し、前記容量調整方法でもってフィルタの帯域を調整するため、相互変調歪を抑えることができる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の可変容量素子の容量調整方法、共振回路の共振周波数調整方法及びフィルタの帯域調整方法を図面に基づいて詳しく説明する。
【００２２】
可変容量素子は、第１の容量電極と第２の容量電極と該両容量電極によって挟持され、且つ印加される電圧により誘電率が変化する薄膜誘電体層とから構成される。この第１の容量電極、第２の容量電極及び薄膜誘電体層は、低誘電率の絶縁基板上に形成されている。支持基板に、平坦で絶縁性の高い例えばＭｇＯ、アルミナ、サファイア、ＬａＡｌＯ３などの絶縁基板を用い、支持基板上に、下部電極層である第１の容量電極、薄膜誘電体層，第２の容量電極である上部電極層を順次スパッタなどを用い被着し、それぞれ所望の形状に加工することで、第１の容量電極と第２の容量電極に挟まれた領域が、容量形成部となる。
【００２３】
または、支持基板上に、薄膜誘電体層、電極層を順次スパッタなどを用い被着し、それぞれ所望の形状に加工し、支持基板上に第１の容量電極と、第２の容量電極とを分離して配置して、第１の容量電極と第２の容量電極との間に薄膜誘電体層を平面的に挟持した構造としてもよい。この場合平面上に対向した第１及び第２の容量電極に挟まれた領域が、容量形成部となる。
【００２４】
上述の各容量電極は、Ａｕ、Ｐｔなどの貴金属で、薄膜誘電体層は（Ｂａｘ，Ｓｒ１−ｘ）ｙＴｉ１−ｙＯ３−Ｚ （ＢＳＴ）膜で形成される。
【００２５】
図１は、本発明の可変容量素子の容量調整方法に適用される等価回路図である。図１において、Ｃ１は上述の構造の可変容量素子であり、Ｖ１は一定電圧のバイアス電圧であり、Ｖは制御電圧であり、Ｌ１は、チョークコイルである。バイアス電圧Ｖ１と、制御電圧Ｖとが可変容量素子Ｃ１に重畳して印加させた状態で使用することができる。即ち、（｜Ｖ｜−｜Ｖ１｜）＝ΔＶの電圧差により、可変容量素子Ｃ１の容量値を調整することができる。
【００２６】
図２は、可変容量素子Ｃ１のＣ−Ｖ曲線を示すものである。ここで、Ｃ１ａはバイアス電圧が０Ｖの場合の容量値である。Ｃ１ｂ及びＣ１ｃはバイアス電圧が０Ｖの場合の信号電圧のピーク値での容量値である。したがって、薄膜誘電体層に信号電圧のみ印加による可変容量素子の容量値の変化は、（Ｃ１ａ−Ｃ１ｂ）＝ΔＣ１ｂ、（Ｃ１ａ−Ｃ１ｃ）＝ΔＣ１ｃとなる。この容量変化量の大きさに比例して、波形歪を生じ、相互変調歪信号が大きくなる。
【００２７】
同図において、Ｃ２ａはバイアス電圧Ｖ１を印加した場合の容量値である。Ｃ２ｂ及びＣ２ｃは、バイアス電圧Ｖ１と信号電圧とを重畳させた時のピーク値の容量値である。したがって、バイアス電圧Ｖ１と信号電圧とを重畳した電圧を薄膜誘電体層に印加した時の可変容量素子Ｃ１の容量値の変化は、（Ｃ２ａ−Ｃ２ｂ）＝ΔＣ２ｂ，（Ｃ２ａ−Ｃ２ｃ）＝ΔＣ２ｃとなる。ここで、バイアス電圧が０Ｖ（非印加状態）での容量変化を比較すると、｜ΔＣ１ｂ＋ΔＣ１ｃ｜＞｜ΔＣ２ｂ＋ΔＣ２ｃ｜となり、その容量変化量を小さくすることができ、もって波形歪を軽減でき、相互変調歪信号を抑えることができる。即ち、制御電圧とは別に、常にバイアス電圧Ｖ１を印加させて可変容量素子の容量値を調整することで、この可変容量素子に通過する例えば高周波信号の波形歪を軽減でき、相互変調歪信号を抑えることができる。
【００２８】
図３（ａ），（ｂ）は、本発明の共振回路の共振周波数の調整方法の等価回路図である。図３において、Ｄ１は少なくともインダクタンス成分を有するインダクタンス素子であり、例えば、コイル素子、ストリップライン共振素子、マイクロストリップ共振素子、誘電体同軸共振素子などが例示できる。尚、図３（ａ）では、少なくともインダクタンス成分を有するインダクタンス素子、例えば誘電体同軸共振素子Ｄ１に対して可変容量素子Ｃ１が並列的に配置され、図３（ｂ）では、少なくともインダクタンス成分を有するインダクタンス素子、例えば誘電体同軸共振素子Ｄ１に対して可変容量素子Ｃ１が直列的に配置されている。
【００２９】
そして、この可変容量素子Ｃ１には、バイアス電圧Ｖ１と制御電圧とが重畳されて印加されることになる。即ち、可変容量素子Ｃ１で、上述のようにバイアス電圧Ｖ１を印加することにより、｜ΔＣ２ｂ＋ΔＣ２ｃ｜で示される容量変化量を、バイアス電圧を印加しないで動作させた場合に比較して低減させることができるため、可変容量素子Ｃ１とインダクタンス素子Ｄ１とからなる共振回路の共振周波数を調整しても、共振回路の共振特性上、波形歪などが軽減され、相互変調歪信号を抑えた安定した特性とすることができる。
【００３０】
図４は、本発明のフィルタの帯域調整方法の等価回路図である。フィルタは、複数個、例えば２つの共振回路を互い結合して通過帯域特性を作成する。即ち、２つの可変容量素子Ｃ１，Ｃ２、少なくともインダクタンス成分からなる２つのインダクタンス素子、例えばコイル素子、ストリップライン共振素子、マイクロストリップ共振素子、誘電体同軸共振素子Ｄ１，Ｄ２を具備している。このフィルタの通過帯域特性も、可変容量素子Ｃ１、Ｃ２は、一定のバイアス電圧と制御信号とを重畳した電圧で動作する。
【００３１】
可変容量素子Ｃ１、Ｃ２は、上述のように常にバイアス電圧Ｖ１を印加することにより、｜ΔＣ２ｂ＋ΔＣ２ｃ｜で示される容量変化量を、バイアス電圧を印加しないで動作させた場合に比較して低減させることができるため、可変容量素子Ｃ１，Ｃ２の容量値を制御してフィルタの帯域を調整しても、波形歪が軽減され、相互変調歪信号を抑えたフィルタの通過特性の調整が可能となる。これにより、周波数軸上に隣接して設定された所望の通信チャネルを妨害することがなく、通過帯域の感度を劣化させることがない。
【００３２】
【実施例】
支持基板にサファイア，下部電極層にＰｔ，薄膜誘電体層にＢＳＴ，上部電極層にＰｔ／Ａｕを用いた可変容量素子を作製した。そして、図４に示す等価回路の可変容量素子Ｃ１，Ｃ２に、この可変容量素子を用いた。また、図４のインダクタンス素子Ｄ１，Ｄ２には、１／４波長先端短絡同軸型誘電体共振器を用い電圧制御可変可能なフィルタを作製した。
【００３３】
ここで、信号側端部とグランド側端部を有する１／４波長先端短絡同軸型誘電体共振器Ｄ１，Ｄ２とが信号側端部にて、結合コンデンサＣ６にて結合されている。また、１／４波長先端短絡同軸型誘電体共振器Ｄ１，Ｄ２と並列となる信号側端部とグランド端部の間に、その信号端部側に固定なコンデンサ素子Ｃ３，Ｃ４を各々配置し、グランド側端部側に、バイアス電圧と制御電圧に応じて容量が変化する可変容量素子Ｃ１，Ｃ２を各々配置し、並列共振回路を形成している。
【００３４】
また、制御電圧を各可変容量素子にそれぞれ供給するためのＲＦ阻止用インダクタＬ１，Ｌ２が、上記可変容量素子に接続されている。
【００３５】
また、外部回路を結合するために、入力信号端子と近接する１／４波長先端短絡同軸型誘電体共振器Ｄ１の信号側端部とを結合する入力容量成分Ｃ５，  出力信号端子と近接する１／４波長先端短絡同軸型誘電体共振器Ｄ２の信号側端部とを結合する出力容量成分Ｃ７を用いることにより、可変用容量素子Ｃ１，Ｃ２の容量値を制御電圧により可変することで、通過帯域を可変することができる電圧制御可変フィルタを構成している。
【００３６】
この電圧制御可変フィルタの通過帯域可変幅を１０ＭＨｚとするために、バイアス電圧Ｖ１を２Ｖとし、制御電圧Ｖを１Ｖと設定した。この制御電圧範囲での＋３０ｄＢｍ入力時における３次相互変調歪信号（ＩＭＤ３）を測定した結果、−１１．５ｄＢｍであった。
【００３７】
【比較例】
同様に、通過帯域可変幅を１０ＭＨｚとするために、バイアス電圧Ｖ１を０Ｖ（非印加状態）で、制御電圧Ｖを２Ｖと設定した。この制御電圧範囲での＋３０ｄＢｍ入力時における３次相互変調歪信号（ＩＭＤ３）は、−６．３ｄＢｍであった。
【００３８】
本実施例では、比較例に比べ３次相互変調歪信号を５．２ｄＢ低く抑えることができ、効用が確認された。
【００３９】
【発明の効果】
本発明では、可変容量素子を構成する電圧によって誘電率が変化する薄膜誘電体層に、一定のバイアス電圧と制御信号とを重畳して、第１の容量電極及び第２の容量電極との間供給し印加している。これにより、初期状態の容量値と印加された信号電圧のピーク電圧の容量値との差を小さくでき、可変容量素子の歪を低く抑えることができる。
【００４０】
また、この可変容量素子を共振回路の一部に用いて共振周波数を、可変容量素子の容量値の制御でもって調整することで、共振回路の歪を低く抑えることができ、相互変調歪信号の小さい共振回路の共振周波数の調整が可能となる。
【００４１】
さらに、この可変容量素子を含む複数の共振回路を結合したフィルタ回路の通過帯域特性を、可変容量素子の容量値の制御でもって調整することで、フィルタの歪を低く抑えることができ、相互変調歪信号の小さいフィルタの帯域調整方法が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の可変容量素子の容量調整方法を説明するための回路図である。
【図２】可変容量素子のＣ−Ｖ曲線を示す特性図である。
【図３】（ａ）、（ｂ）は本発明の共振回路の共振周波数調整方法を説明するための等価回路図である。
【図４】本発明のフィルタの帯域調整方法を説明するための等価回路である。
【符号の説明】
Ｖ１・・・バイアス電圧
Ｖ・・・信号電圧
Ｃ１、Ｃ２・・・可変容量素子
Ｃ３、Ｃ４・・・コンデンサ
Ｃ５、Ｃ６、Ｃ７・・・結合用コンデンサ
Ｄ１、Ｄ２・・・インダクタンス素子
Ｌ１、Ｌ２・・・ＲＦ阻止用インダクタ
【図１】
2004235362.tif 000003
【図２】
2004235362.tif 000004
【図３】
2004235362.tif 000005
【図４】
2004235362.tif 000006