(57)【要約】【課題】フィルタ特性を連続的に変えることができ、しかも小型、高効率の高周波信号フィルタ装置を提供すること。【解決手段】本発明は、基板上に設けられるマイクロ・ストリップラインの信号線１０上に設けられる第１の電圧可変容量ＦＣ１と、このマイクロ・ストリップラインの信号線１０と接地面２０との間に挿入される第２の電圧可変容量ＦＣ２とを備える高周波信号フィルタ装置１である。また、この高周波信号フィルタ装置１と、高周波信号フィルタ装置１の第１の電圧可変容量ＦＣ１および第２の電圧可変容量ＦＣ２の開閉を制御する制御手段とを備える電子機器である。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に設けられるマイクロ・ストリップラインの信号線上に設けられる第１の電圧可変容量と、
前記マイクロ・ストリップラインの信号線と接地面との間に挿入される第２の電圧可変容量と
を備えることを特徴とする高周波信号フィルタ装置。
【請求項２】
前記第１の電圧可変容量および前記第２の電圧可変容量の各々に対応した線路には直流電圧の印加を絶縁する切れ目が設けられている
ことを特徴とする請求項１記載の高周波信号フィルタ装置。
【請求項３】
前記マイクロ・ストリップラインの信号線が複数に分岐され、その分岐された各信号線に前記第１の電圧可変容量が各々設けられて並列のスイッチとなっている
ことを特徴とする請求項１記載の高周波信号フィルタ装置。
【請求項４】
前記マイクロ・ストリップラインの信号線と接地面との間に前記第２の電圧可変容量が複数設けられている
ことを特徴とする請求項１記載の高周波信号フィルタ装置。
【請求項５】
前記第１の電圧可変容量および前記第２の電圧可変容量を構成する誘電体は、（ＢａｘＳｒ１−ｘ）ＴｉＯ３（ｘ＝０〜０．７）を用いる
ことを特徴とする請求項１記載の高周波信号フィルタ装置。
【請求項６】
前記基板は、一部に低誘電率膜が被覆された半導体基板から成る
ことを特徴とする請求項１記載の高周波信号フィルタ装置。
【請求項７】
請求項１〜６のうちいずれか１項に記載の高周波信号フィルタ装置と、
前記高周波信号フィルタ装置の前記第１の電圧可変容量および前記電圧可変容量への電圧印加を制御する制御手段と
を備えることを特徴とする電子機器。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、信号をフィルタリングする装置およびそれに関し、特に誘電体あるいはそれが被覆された半導体基板上に設けられた、誘電体共振器と導波装置（例えば平面型のマイクロ・ストリップライン）とを備えた高周波信号フィルタ装置および電子機器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、マルチチャネル通信システムにおける信号発生器からアンテナへの送信信号のフィルタリング、アンテナから受信器への受信信号のフィルタリング、あるいは双方向のフィルタリングを行うためのフィルタとして、搬送波の中心周波数が１０ＧＨｚを超える高周波信号に適用され、所望の帯域を有する信号をフィルタリングする高周波信号フィルタ装置の開発が望まれている。
【０００３】
従来、電気−音響変換素子を用いた信号周波数１０ＧＨｚ近辺のフィルタの試作報告が成されている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００４】
【特許文献１】
特表２０００−５０２２３１号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このような高周波信号フィルタ装置では、外部からの信号によりフィルタの通過特性の制御を行うことは不可能である。また、１０ＧＨｚ超える帯域でのフィルタ特性が外部から制御可能な平面型の交差指電極を用いたフィルタの試作例は数多く報告されているが、能率が悪く、十分に急峻な信号の通過特性が得られず、素子面積も大きい、という不都合が存在している。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明はこのような課題を解決するために成されたものである。すなわち、本発明は、基板上に設けられるマイクロ・ストリップラインの信号線上に設けられる第１の電圧可変容量と、マイクロ・ストリップラインの信号線と接地面との間に挿入される第２の電圧可変容量とを備える高周波信号フィルタ装置である。また、この高周波信号フィルタ装置と、高周波信号フィルタ装置の第１の電圧可変容量および第２の電圧可変容量への電圧印加を制御する制御手段とを備える電子機器である。
【０００７】
このような本発明では、第１の電圧可変容量が、ある特定の信号帯域の信号を透過する役割を果たし、第２の電圧可変容量が、ある特定の信号帯域の信号を接地側に短絡させる役割を果たす。また、マイクロ・ストリップラインの信号線に第１の電圧可変容量が直列に挿入されることで、この第１の電圧可変容量への電圧印加を制御して、信号線を通過できる信号の帯域を連続的に変更する。
【０００８】
一方、第２の電圧可変容量がマイクロ・ストリップラインの信号線と接地面との間に挿入されることで、この第２の電圧可変容量への電圧印加を制御して接地側に短絡させる信号の帯域を連続的に変更する。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図に基づき説明する。図１は、本実施形態に係る高周波信号フィルタ装置を説明する模式平面図である。すなわち、この高周波信号フィルタ装置１は、平面型のマイクロ・ストリップラインを備えており、このマイクロ・ストリップラインの信号線１０上に設けられる第１の電圧可変容量ＦＣ１と、マイクロ・ストリップラインの信号線１０と基板裏面に設けられた接地面２０との間に挿入される第２の電圧可変容量ＦＣ２とを有する構成となっている。
【００１０】
第１の電圧可変容量ＦＣ１および第２の電圧可変容量ＦＣ２は、直流電圧の印加によってキャパシタ（容量）が可変するものであり、これら２種の電圧可変容量による信号透過特性を最良に制御することで、本実施形態に係る高周波信号フィルタ装置１の信号透過帯域特性（透過帯域幅、透過帯域の中心値）を制御できるようになる。
【００１１】
第１の電圧可変容量ＦＣ１は信号線１０上に直列に挿入されている。この第１の電圧可変容量ＦＣ１はキャパシタ（容量）とインダクタとにより構成されたハイ・パス・フィルタとなっている。キャパシタは信号線１０の切れ目Ｋに対応して設けられた誘電体膜（後述のＢＳＴ薄膜）と上部電極Ｄとで構成され、インダクタは２つの切れ目Ｋの間となる信号線１０に直流電圧を印加するための配線１１によって構成される。
【００１２】
この第１の電圧可変容量ＦＣ１の配線１１から直流電圧を印加することにより、信号線１０を通過できる信号帯域を変化させ、特定帯域の信号のみを選択的に流すことができるようになる。したがって、配線１１から印加する直流電圧の大きさによって信号線１０を通過できる信号帯域をある範囲で連続的に可変できることになる。
【００１３】
また、第２の電圧可変容量ＦＣ２は信号線１０から接地面２０へ分岐している分岐線１０ａ上に直列に挿入されている。第２の電圧可変容量ＦＣ２も第１の電圧可変容量ＦＣ１と同様にキャパシタとインダクタとにより構成されたハイ・パス・フィルタとなっている。すなわち、キャパシタは分岐線１０ａの切れ目Ｋに対応して設けられた誘電体薄膜と上部電極Ｄとで構成され、インダクタは２つの切れ目Ｋの間となる分岐線１０ａに直流電圧を印加するための配線１１によって構成される。
【００１４】
この第２の電圧可変容量ＦＣ２の配線１１から直流電圧を印加することにより、分岐線１０ａを通過できる信号帯域を変化させ、特定帯域の信号のみを接地面２０側に短絡させることができる。したがって、配線１１から印加する直流電圧の大きさによって信号線１０を流れる高周波信号の減衰帯域をある範囲で連続的に可変できることになる。
【００１５】
つまり、本実施形態の高周波信号フィルタ装置１では、第１の電圧可変容量ＦＣ１および第２の電圧可変容量ＦＣ２におけるキャパシタとインダクタンスとを適切に調整した２種の電圧可変容量の組み合わせにより、バンド・パス・フィルタ、ハイ・パス・フィルタ、ノッチ・フィルタなど異なった種類のフィルタ動作を切り換えたり、フィルタ特性の連続的な変更を行うことが可能となる。
【００１６】
第１の電圧可変容量ＦＣ１および第２の電圧可変容量ＦＣ２のキャパシタＣを構成する誘電体薄膜としては、例えば、（ＢａｘＳｒ１−ｘ）ＴｉＯ３（ｘ＝０〜０．７）（以下「ＢＳＴ薄膜」と言う。）を用いており、このＢＳＴ薄膜に直流電圧を印加することで、その直流電圧に依存して容量が変化するようになっている。
【００１７】
そのため、第１の電圧可変容量ＦＣ１および第２の電圧可変容量ＦＣ２の各々には、直流電圧を印加するための端子が接続されるとともに、第１の電圧可変容量ＦＣ１および第２の電圧可変容量ＦＣ２の接続される信号線１０および分岐線１０ａの前後には、印加される直流電圧を絶縁するための切れ目（容量）Ｋが設けられている。
【００１８】
この第１の電圧可変容量ＦＣ１および第２の電圧可変容量ＦＣ２は、主としてＢＳＴ薄膜と上部電極Ｄとから構成される。また、信号線１０、分岐線１０ａおよび接地面２０は良好な導体であるＣｕ、Ａｕなどを用いて構成する。
【００１９】
信号線１０等を形成する基板は絶縁特性の良好なＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３、高分子材料、高分子とＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３との複合材料などを用いる。なお、ＢＳＴ薄膜の品質を確保するために成膜の下地としてＰｔを用いてもよい。
【００２０】
図２は、本実施形態に係る高周波信号フィルタ装置の模式平面図である。この図では基板２の表面側の平面図となっており、基板２の裏面には接地面２０が設けられている。基板２の表面には信号線１０が設けられ、この信号線１０と直列に第１の電圧可変容量ＦＣ１が形成される。
【００２１】
また、信号線１０と接地面２０との間には第２の電圧可変容量ＦＣ２が形成される。第２の電圧可変容量ＦＣ２は信号線１０からの分岐線１０ａに直列に設けられており、この分岐線１０ａの端部が基板２を介して裏面の接地面２０と接続されている。なお、パッドＰは基板２の裏面の接地面２０と導通しており、接地面２０との導通を得たい場合には必要に応じてパッドＰと導通をとるようにする。
【００２２】
図３は、本実施形態に係る高周波信号フィルタ装置の等価回路を示す図で、（ａ）は全体図、（ｂ）は第１の電圧可変容量の等価回路、（ｃ）は第２の電圧可変容量の等価回路ある。
【００２３】
第１の電圧可変容量ＦＣ１および第２の電圧可変容量ＦＣ２とも、キャパシタは接地面との浮遊容量として構成され、インダクタは直流電圧入力用の配線によって構成される。
【００２４】
図１に示す本実施形態の高周波信号フィルタ装置１は最小構成であり、例えば図４に示すような複数個の電圧可変容量を用いて回路網を形成してもよい。つまり、信号線１０を分岐して各々に第１の電圧可変容量ＦＣ１１、ＦＣ１２、ＦＣ１３を設けて並列スイッチを構成し、信号線１０から接地面２０へ向かう線を複数設けて各々に第２の電圧可変容量ＦＣ２１、ＦＣ２２、ＦＣ２３を接続する。
【００２５】
このような構成によって、必要に応じて、ラダー型のフィルタ、あるいはデュプレクサなどの信号分岐素子を構成することができる。なお、複数個の電圧可変容量を並列配置する場合、信号の遅延を考慮して各々のスイッチ群の線路長が同じとなるよう対称な線路構造にすることが望ましい。つまり、第１の電圧可変容量ＦＣ１１、ＦＣ１２、ＦＣ１３によるスイッチ群の分岐点ａから接続点ｂまでの各電圧可変容量ＦＣ１１、ＦＣ１２、ＦＣ１３の線路長が同じとなり、また、第２の電圧可変容量ＦＣ２１、ＦＣ２２、ＦＣ２３によるスイッチ群の分岐点ｃから接続点ｄまでの各電圧可変容量ＦＣ２１、ＦＣ２２、ＦＣ２３の線路長が同じとなるような構造とする。
【００２６】
図５は第１の電圧可変容量の構造を説明する模式断面図で、（ａ）は線路に対して垂直な方向の模式断面図、（ｂ）は線路に対して平行な方向の模式断面図である。
【００２７】
第１の電圧可変容量ＦＣ１は、基板２の表面に設けられた信号線１０および基板２の裏面に設けられた接地面２０で構成されたマイクロ・ストリップラインの信号線１０上に設けられ、容量可変のための直流電圧を印加する配線１１が接続されている。
【００２８】
信号線１０の２つの切れ目Ｋおよびその位置に対応する信号線１０上にはＢＳＴ薄膜２１が形成され、このＢＳＴ薄膜２１の上に信号線１０から２つの切れ目Ｋの上方を覆う形で上部電極Ｄが各々設けられている。
【００２９】
したがって、配線１１から２つの切れ目Ｋの間となる信号線１０に直流電圧を印加することでその印加電圧に応じてＢＳＴ薄膜２１の比誘電率が変化し、信号線１０を透過する高周波の帯域特性を変えることが可能となる。
【００３０】
なお、図示しないが第２の電圧可変容量ＦＣ２も第１の電圧可変容量ＦＣ１と同様な構成である。この場合、第１の電圧可変容量ＦＣ１の説明で用いた信号線１０が、信号線１０から接地面２０へつながる分岐線となる。
【００３１】
本実施形態では、このような第１、第２の電圧可変容量ＦＣ１、ＦＣ２への直流電圧印加を制御手段（図示せず）によって制御することで、スイッチ動作の組み合わせにより、バンド・パス・フィルタ、ハイ・パス・フィルタ、ノッチ・フィルタなど異なった種類のフィルタ動作を切り換え可能な電子機器を構成できるようになる。
【００３２】
ここで、本実施形態に係る高周波信号フィルタ装置の線路設計の一例を説明する。
【００３３】
線路の特性インピーダンス（Ｚ）は、接地面と信号線路との間に設けられた誘電体膜の厚さ（ｈ）と比誘電率（εｒ）、信号線路幅（ｗ）により、以下の式にしたがって決定される。
【００３４】
Ｚ＝３７７／（ｗ／ｈ）（εｒ）１／２［１＋（１．７３５εｒ−０．０７２４）（ｗ／ｈ）−０．８３６］
【００３５】
例えば、５０Ωの線路において比誘電率９．８のＡｌ２Ｏ３を用いた場合、ｗ／ｈ＝０．９となり、例えば、基板２の厚さを０．５２５ｍｍとしたときには、信号線１０の幅（線路幅）ｗは０．４７３ｍｍとなる。
【００３６】
Ｐｔ上に形成されたＢＳＴ薄膜の比誘電率は、例えば、７７Ｋで膜厚が０．２７μｍの膜において、間隔２５０μｍの交差指電極間に０から±１０Ｖまでの電圧を印加することにより、１／６に下がる。能率を上げるためには、素子を低温化することが望ましいが、同様の現象は室温でも起こる。
【００３７】
高周波線路には、線路幅を超えない上部電極Ｄの幅（図５に示す各切れ目Ｋに対応した各々の上部電極Ｄの幅ｗ１、ｗ２、上部電極Ｄの長さＬ１、Ｌ２）、ＢＳＴ薄膜２１の比誘電率（εｒ）および膜厚ｈで決まる容量が直列に挿入される。
【００３８】
第１の電圧可変容量ＦＣ１は信号線１０の入力側と出力側との間に直列に挿入され、第２の電圧可変容量ＦＣ２は信号線１０と接地面２０との間に挿入され、各々のハイ・パス・フィルタとして機能し、両者の効果が合わされるとバンド・パス・フィルタを構成できる。
【００３９】
この場合、第１の電圧可変容量ＦＣ１とインダクタは低周波数側のカットオフ周波数を、第２の電圧可変容量ＦＣ２とインダクタは高周波側のカットオフ周波数を決める。各々のカットオフ周波数２πｆ０は、√（４／ＬＣ）で与えられる。したがって、容量とインダクタの値を適切に選択すれば、望みの特性を得ることができる。また、比誘電率は印加電圧により変化するので、直流電圧の外部端子からフィルタ特性を連続的に制御できるようになる。
【００４０】
例えば、２０ＧＨｚ程度のカットオフ周波数を得たいとして、インダクタクタンスを３０ｐＨに選ぶと、必要とされる容量の値は１０ｐＦ程度となる。ＢＳＴ薄膜２１の比誘電率は１２０程度が期待できる。図５に示すＢＳＴ薄膜２１の膜厚ｈが０．２μｍ、上部電極Ｄの幅（ｗ１、ｗ２）が０．３ｍｍ程度確保できるとすると、図５に示す上部電極Ｄの長さ（Ｌ１、Ｌ２）は０．７ｍｍ程度とすればよい。なお、実際には２つの切れ目（容量）が直列に挿入されていることになるので、Ｌ１、Ｌ２の各々は１．４ｍｍ程度の長さが必要となる。
【００４１】
ここで、第１の電圧可変容量ＦＣ１および第２の電圧可変容量ＦＣ２の２つの容量から成るフィルタを用いてバンド・パス・フィルタ動作をさせたいときは、第１の電圧可変容量に電界を印加してキャパシタを８０％程度に低下させればよい。また、第１の電圧可変容量ＦＣ１および第２の電圧可変容量ＦＣ２の容量の部分は、直流入力パッドから見れば、ロー・パス・フィルターになっており、直流電圧の印加が可能である。
【００４２】
次に、本実施形態に係る高周波信号フィルタ装置の製造方法を説明する。図６〜図７は製造方法を順に説明する模式断面図（主として第１の電圧可変容量の部分）である。なお、図６、図７はいずれも信号線に対して垂直な方向の模式断面図である。
【００４３】
先ず、適切な間隔で接続穴が設けられた絶縁体の基板２（例えばアルミナや一部に低誘電率膜が被覆された半導体基板）を洗浄し、鍍金法により、Ｎｉ／Ａｕ、あるいはＮｉ／Ａｕ／Ｐｔの順に成膜する。ミリング、ドライ・エッチングなどの方法を用い、切れ目のある、厚さ０．５μｍの平面型のマイクロ・ストリップラインを形成する。
【００４４】
図６（ａ）は基板２の裏面に接地面２０、表面に信号線１０を備えたマイクロ・ストリップラインが構成された状態を示している。基板２上における信号線１０には直流電圧を印加するためのミアンダ線路である配線１１がパターニングされている。この状態で、線路パターンが形成された基板２の全面にスパッタ法によりＢＳＴ薄膜２１を被着する。
【００４５】
次に、図６（ｂ）に示すように、被着したＢＳＴ薄膜２１の一部に穴を開ける。この穴開けはミリング、ドライ・エッチング等を用いる。そして、図６（ｃ）に示すように、形成した穴に上部電極となる金（Ａｕ）等の導体膜Ｄ’をスパッタ法、蒸着法等により製作し、さらにミリング、ドライ・エッチング等によってパターニングすることで、図７（ａ）に示すような上部電極Ｄを信号線１０上の穴に形成する。
【００４６】
図７（ｂ）は上部電極Ｄをパターニングした後のＢＳＴ薄膜２１による容量構成部分の模式断面を示している。次いで、形成された線路パターンの全面に絶縁特性の良好な高分子薄膜、またはＳｉＯ２薄膜を用いて被覆する。そして、信号線１０、接地面２０、直流電圧印加用の配線１１上の絶縁膜を除去し、外部回路との信号の接続を可能にする。
【００４７】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば次のような効果がある。すなわち、本発明では、平面型のマイクロ・ストリップライン素子と、信号線上に設けられた第１の電圧可変容量および信号線と接地面との間に挿入された第２の電圧可変容量により、フィルタ特性を連続的に変更可能な構造を実現できる。また、このような構成によって交差指型の電極をもちいた高周波フィルタと比較し、非常に小型化を図ることが可能となる。また、比較的簡単な制御手段をもちいた制御バイアス電圧の印加により、フィルタの透過特性、遮断特性の連続的な制御を実現することができ、必要に応じて、平面状に更に複雑な回路網を作ることも可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本実施形態に係る高周波信号フィルタ装置を説明する模式図である。
【図２】本実施形態に係る高周波信号フィルタ装置の模式平面図である。
【図３】本実施形態に係る高周波信号フィルタ装置の等価回路を示す図である。
【図４】複数個の電圧可変容量を用いる回路網の例を示す模式図である。
【図５】第１の電圧可変容量ＦＣ１の構造を説明する模式断面図である。
【図６】製造方法を順に説明する模式断面図（その１）である。
【図７】製造方法を順に説明する模式断面図（その２）である。
【符号の説明】
１…高周波信号フィルタ装置、２…基板、１０…信号線、１０ａ…分岐線、２０…接地面、２１…ＢＳＴ薄膜、Ｄ…上部電極、ＦＣ１…第１の電圧可変容量、ＦＣ２…第２の電圧可変容量
【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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