(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
６４°回転Ｙカットニオブ酸リチウム圧電基板上に、弾性表面波伝搬方向がＸ軸方向となるよう３個のＩＤＴからなる弾性表面波変換器をＸ軸方向に沿って近接配置し、前記弾性表面波変換器のＸ軸方向の両側に反射器を設けた縦結合型二重モードフィルタを設計する方法であって、
前記ＩＤＴをＡｌを主成分とする合金により形成し、各ＩＤＴの厚さをλ（λは中心周波数における弾性表面波波長）で規格化した規格化膜厚を３〜４％とし、中央のＩＤＴの対数をＮ1、両外側のＩＤＴの対数をそれぞれＮ2、各ＩＤＴの交差幅をＷとしたとき、
Ｎ2／Ｎ1＝０．６１〜０．６５、
（Ｎ1＋２Ｎ2）・Ｗ＝１９７１λ〜２２１２λ
となるように弾性表面波変換器の構造を設計する弾性表面波フィルタの設計方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、弾性表面波フィルタおよびその設計方法に関するものであって、さらに詳しくは、３個の弾性表面波変換器を備え、０次と２次との二つの対称モードの結合を利用した縦結合型二重モード弾性表面波フィルタおよびその設計方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、自動車に取り付けた自動車電話から始まった移動体通信装置は、個々の携帯化、いわゆる携帯電話へと移行し急速に普及しつつある。この携帯電話では、その普及にともない小型・軽量・低損失化に対する要求がますます大きくなり、内部に使用される個々の部品に対しても、小型・軽量・低損失化が求められている。移動体通信装置における主要な構成部品である高周波フィルタには、この要求に応え得るものとして弾性表面波フィルタが用いられつつある。弾性表面波フィルタは、固体表面を伝搬する弾性表面波を利用したフィルタであり、その構成法についてはこれまで数多く報告されている。
【０００３】
移動体通信、特に携帯電話に利用されている周波数は、８００MHz〜１GHz、１．５GHz近傍、１．８〜２GHzであり、さらに今後、需要の増加に伴い２GHzを超える周波数帯も利用されるものと思われる。これらの周波数帯域で使用されるフィルタには、低損失、広い通過帯域、そして５０Ω伝送線路系との整合（すなわち、フィルタの入出力インピーダンスが５０Ωに近いこと）が要求され、この要求実現に好適な構成として弾性表面波を用いた縦結合型二重モードフィルタがあることは、すでに公知である。
【０００４】
縦結合型二重モードフィルタの構成例の一つとして、特公平７−１８５９号公報に開示されたものが挙げられる。同公報には、圧電性基板（この場合は、Ｘカット１１２°回転Ｙ伝搬のタンタル酸リチウムが使われている）上に、弾性表面波伝搬方向に沿って３個のすだれ状変換器（Interdigital Transducer、以下、ＩＤＴと略記する）を配置し、その両外側に格子状反射器を配置することにより、中心に対して対称な、いわゆる偶数次モードである０次と２次のモードを励起し、これらの結合により二重モードフィルタを構成することが示されている。ここで、縦結合と呼ぶのは、これら二つのモードが弾性表面波伝搬方向と同一方向に励起されることによる。このような二重モードフィルタは、水晶バルク波を用いたモノリシックフィルタにおいて古くから知られており、その設計に際しては、二つのモードの周波数配置が重要なことが知られている。同公報においても、この周波数配置として、０次モードの共振周波数と２次モードの反共振周波数とをほぼ一致させる、すなわち両周波数の正規化周波数差が０．０００５より小さくなるようにすることが示されている。そして、この構成により、比帯域幅（通過帯域幅を中心周波数で除した値）０．４０％のフィルタが得られたことが示されている。
【０００５】
ところで、現在国内外で実用となっている携帯電話システムには、米国のＡＭＰＳ方式、欧州のＧＳＭおよびＥＧＳＭ方式、日本国内のＰＤＣおよびＮＴＡＣＳ方式等、各種のものが存在し、さらには、ＣＤＭＡ方式、Ｗ−ＣＤＭＡ（ワイドバンドＣＤＭＡ）方式も実用に供されようとしている。これらのシステムでは、狭いものでも帯域幅２５〜３５MHzの周波数範囲が使用され、したがって、これらのシステムの端末機に使用されるフィルタには、製造時のばらつき、周囲温度変化に対する余裕度も加味して、前記帯域幅よりも広い通過帯域幅を持つフィルタが必要となる。要求特性を比帯域幅で表す場合、例えば中心周波数を９００MHz、通過帯域幅を３５MHzとすると、３５／９００＝０．０３９、すなわち３．９％の比帯域幅が要求されることになり、これは前記特公平７−１８５９号公報に記載された値よりも、さらに一桁広い。このような広い通過帯域を実現するには、前記Ｘカット１１２°回転Ｙ伝搬タンタル酸リチウムよりも電気機械結合係数の大きな、例えば６４°回転Ｙカットニオブ酸リチウムを使用することが考えられるが、前記特公平７−１８５９号公報には、圧電基板のカット角や種類を変えた場合において、０次モードの共振周波数と２次モードの反共振周波数とを一致させるためにどのような電極構造とすべきかは、基本概念が示されているだけで、具体的には何も明示されていない。
【０００６】
さらに、６４°回転ＹカットＸ伝搬ニオブ酸リチウムのような、大きな電気機械結合係数の圧電基板を用いて、広い通過帯域のフィルタを構成する場合は、前記特公平７−１８５９号公報に示されるように０次モードの共振周波数と２次モードの反共振周波数との正規化周波数差を０．０００５より小さく設定すると、通過帯域の中心周波数においてだけ損失が低くなり、通過帯域全体にわたって平坦な低損失特性が得られないという問題がある。その上、この種のフィルタの低損失化には、５０Ω伝送線路系とのインピーダンス整合が重要な問題となるが、前記特公平７−１８５９号公報には、この伝送線路特性インピーダンスとの整合方法については、何も示されていない。
【０００７】
５０Ω伝送線路系との整合を考慮した例としては、特開平２−２０２７１０号公報に開示された技術がある。ここには、帯域内に複数の共振モードが存在する場合、対称モードの反共振周波数と反対称モードの共振周波数とを一致させるべきこと、または、対称モードの共振周波数と一つ低次の反対称モードの反共振周波数を一致させるべきことが示されている。そして、具体的な周波数合わせの方法としては、入出力ＩＤＴの対数比、および入出力を合わせたＩＤＴの総対数を適切に設定すべきこと、さらに、５０Ω伝送線路系とのインピーダンス整合のために、ＩＤＴの最大交差幅Ｗを波長で規格化したＷ／λで５０〜１６０に設定すべきことが示されている。
【０００８】
しかし、同公報で検討されている弾性表面波フィルタは、圧電基板として４５°回転Ｘ板Ｚ伝搬のリチウムテトラボレート（四硼酸リチウム）を用いており、その達成帯域幅は、比帯域幅で０．６％に過ぎない。さらに比帯域幅を広げるには、前述したように、さらに電気機械結合係数の大きな６４°回転ＹカットＸ伝搬ニオブ酸リチウム基板を使う必要があるが、使用する基板、カット角が異なると、それに従い実効誘電率、電気機械結合係数も異なるので、５０Ω伝送線路系との整合条件も大きく異なってくるものと思われる。したがって、電気機械結合係数の大きな６４°回転ＹカットＸ伝搬ニオブ酸リチウムを用いる場合には、同公報での構成をそのまま適用することはできない。
【０００９】
６４°回転ＹカットＸ伝搬ニオブ酸リチウム基板を用いた縦結合型二重モードフィルタの例としては、特開平４−２０７６１５号公報に開示された構成がある。しかし、同公報に開示された例は、２個のＩＤＴとその両外側に反射器とを設けて、０次の対称モードと１次の反対称モードとを利用するものであり、これは、３個のＩＤＴを設けて０次の対称モードと２次の対称モードとを利用する縦結合型二重モードフィルタに比べて、その帯域幅を本質的に広くすることはできない。
【００１０】
以上述べたように、低損失、広通過帯域、５０Ω伝送線路系との整合が可能であることが縦結合型二重モード弾性表面波フィルタには要求され、特に広帯域を実現するには、圧電基板として６４°回転ＹカットＸ伝搬のニオブ酸リチウムを用い、この基板上に３個のＩＤＴを形成し、縦０次モードと縦２次モードとを利用する二重モードフィルタを構成することが必要とされる。このような縦結合型二重モードフィルタの例としては、特開平５−２６７９９０号公報に開示された構成がある。なお、同公報では、使用モードを１次と３次と称しているが、モードの振幅分布が左右対称で偶関数的であることから、偶数次をとって０次と２次とすべきである。同公報では、挿入損失２〜３dBおよび比帯域幅３．５〜４．５％を達成するために、電極厚さを波長λで規格化した規格化膜厚を３〜５％とし、この範囲の規格化膜厚において最大の通過帯域幅を得るためにＩＤＴの電極周期ＬTと反射器の周期ＬRとの比（ＬT／ＬR）を０．９９０〜０．９７５とすることが記載されている。そして、電極指交差幅を１５λ〜５０λとした場合に入出力インピーダンスを５０Ωとするためには、前記３個のＩＤＴのうち中央のＩＤＴの対数を１５〜２０対、外側の２個のＩＤＴを片側あたり８〜１２対とする必要がある旨が記載されている。ただし、同公報の実施例に記載されている電極指交差幅の具体値は、４０λだけである。また、中心周波数の具体値は８８１．５MHzだけである。
【００１１】
そこで、本発明者らは、同公報の記載にしたがって、電極指交差幅４０λ、中心周波数８８１．５MHzのフィルタを作製し、インピーダンス整合を調べたところ、例えば後述する本願の実施例における表１に示すように、ＩＤＴ対数を同公報で限定する範囲内としても、５０Ω電送線路系とのインピーダンス整合がとれないことがわかった。すなわち、中心周波数を所望の任意の値に設定して縦結合型二重モード弾性表面波フィルタを設計するに際し、５０Ω伝送線路系とのインピーダンス整合を容易になし得るための指針は、同公報からは得られない。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、圧電基板として６４°回転ＹカットＸ伝搬ニオブ酸リチウムを用い、この基板の表面上に３個のＩＤＴを近接配置し、さらにその両外側に反射器を配し、縦０次と縦２次のモードを利用する縦結合型二重モードフィルタについて、入出力インピーダンスを５０Ω伝送線路系と整合させるに際し、任意の中心周波数に応じた最適な弾性表面波変換器の構造を容易に決定可能とすることである。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
上記目的は、下記の構成により達成される。
６４°回転Ｙカットニオブ酸リチウム圧電基板上に、弾性表面波伝搬方向がＸ軸方向となるよう３個のＩＤＴからなる弾性表面波変換器をＸ軸方向に沿って近接配置し、前記弾性表面波変換器のＸ軸方向の両側に反射器を設けた縦結合型二重モードフィルタを設計する方法であって、
前記ＩＤＴをＡｌを主成分とする合金により形成し、各ＩＤＴの厚さをλ（λは中心周波数における弾性表面波波長）で規格化した規格化膜厚を３〜４％とし、中央のＩＤＴの対数をＮ1、両外側のＩＤＴの対数をそれぞれＮ2、各ＩＤＴの交差幅をＷとしたとき、
Ｎ2／Ｎ1＝０．６１〜０．６５、
（Ｎ1＋２Ｎ2）・Ｗ＝１９７１λ〜２２１２λ
となるように弾性表面波変換器の構造を設計する弾性表面波フィルタの設計方法。
【００１４】
【作用および効果】
６４°回転ＹカットＸ伝搬ニオブ酸リチウム基板を用いた縦結合型二重モード弾性表面波フィルタにおいて、本発明にしたがい、Ｎ2／Ｎ1および（Ｎ1＋２Ｎ2）・Ｗを設定すれば、携帯電話の高周波回路に利用されるフィルタに要求される低損失、広通過帯域が実現すると共に、外部回路素子を付加することなく５０Ω伝送線路系とのインピーダンス整合が可能となり、通過帯域全体にわたり平坦な低損失特性を示す縦結合型二重モードフィルタを得ることができる。
【００１５】
本発明では、弾性表面波の波長λで規格化した交差幅Ｗを用いて上記（Ｎ1＋２Ｎ2）・Ｗを決定するので、利用周波数帯域の異なる各種携帯電話用の弾性表面波フィルタ、すなわち中心周波数の異なる様々な弾性表面波フィルタにおいて、上記効果を実現することができる。
【００１６】
【実施例】
以下、実施例をもとに本発明を詳細に説明する。
【００１７】
図１および図２に、３個のＩＤＴを用いた縦結合型二重モードフィルタにおける電極構成示す。図１には基本構成を示し、図２にはこの基本構成を二段縦続接続した構成を示す。
【００１８】
まず、図１をもとに、本発明の実施に係わる基本構成を説明する。６４°回転Ｙカットニオブ酸リチウム基板（図示せず）上に、弾性表面波伝搬方向が結晶Ｘ軸方向となるように、対数がＮ1である中央ＩＤＴ１１と、その両外側に対数がそれぞれＮ2である外側ＩＤＴ１２、１２とを形成し、さらにこれらの両外側に反射器１３、１３を形成する。ＩＤＴ１１、１２、反射器１３は、例えばＡｌ−０．５重量％Ｃｕ合金薄膜をスパッタ法で形成し、これをフォトエッチング法で所定構造となるように加工することにより形成する。後述する実験の際には、前記フォトエッチングとして、ＣｌとＢＣｌ3との混合ガスを用いたドライエッチング法を用いた。ＩＤＴの厚さｔをλ（λは中心周波数における弾性表面波波長）で規格化した規格化膜厚（ｔ／λ）は、３〜４％であることが好ましい。この規格化膜厚が４％を超えると、急激に損失が増大する。一方、規格化膜厚が３％未満であると、十分な帯域幅が得られない。
【００１９】
上記規格化膜厚が３〜４％である場合、反射器１３の反射ストライプの本数が８０本以上であれば、挿入損失、バンド幅（通過帯域幅）特性は飽和するため、反射ストライプは８０本以上とすれば十分である。ただし、以降の実験では、特性余裕、素子面積（素子の大きさ）に依存する扱いやすさなどを考慮して、反射ストライプ本数を２５０本に設定した。
【００２０】
前述した縦結合二重モードフィルタに関する従来技術に基づき検討を加えると、この種の弾性表面波フィルタにおける通過帯域内の平坦低損失化には、中央ＩＤＴ１１の対数Ｎ1と外側ＩＤＴ１２の対数Ｎ2との対数比（Ｎ2／Ｎ1）が重要な因子となっていることが推察される。また、各種の携帯電話に適用するためには、比較的広い周波数帯域での検討が必要である。そこで、図２に示す二段縦続接続構成において、中央ＩＤＴの対数Ｎ1、外側ＩＤＴの対数Ｎ2、Ｎ2／Ｎ1、総対数（Ｎ1＋２Ｎ2）および各ＩＤＴの交差幅Ｗ（弾性表面波波長λで規格化して表現）を表１に示すように組み合わせた試料を作製し、８３６．５〜９４７．５MHzの周波数範囲において通過帯域内ＶＳＷＲ（電圧定在波比）の最大値を測定した。測定結果を表１に示す。ＶＳＷＲは５０Ω伝送線路系との整合の度合いを表わす量であり、この値が２以下であれば５０Ωに整合しているといえる。なお、各試料においてＩＤＴの規格化膜厚は３．５５％とした。
【００２１】
【表１】
0003933269.tif 000002
【００２２】
表１においてＮ2／Ｎ1とＶＳＷＲとの関係に注目すると、通過帯域全体にわたって整合を良好とするためには、少なくともＮ2／Ｎ1を０．６１〜０．６７の範囲内に設定すればよいと考えられる。しかし、Ｎ2／Ｎ1が０．６５を超えると、フィルタの比帯域幅が４％未満となってしまうので、弾性表面波フィルタとして好適な対数比範囲は０．６１〜０．６５である。
【００２３】
本発明者らは、表１においてＮ2／Ｎ1が０．６１〜０．６５であって、しかもＶＳＷＲが２を超えている試料について検討した。その結果、ＶＳＷＲが、Ｎ1、Ｎ2、Ｗのそれぞれと独立して相関するのではなく、総対数（Ｎ1＋２Ｎ2）と、λで規格化した交差幅Ｗとの積に相関することを見いだした。表１に、各試料の（Ｎ1＋２Ｎ2）・Ｗを示してあるが、（Ｎ1＋２Ｎ2）・Ｗが１９７１λ〜２２１２λの範囲内であると、通過帯域内でＶＳＷＲ≦２が達成され、低損失な弾性表面波フィルタとなることがわかる。
【００２４】
なお、試料No.４は、電極指交差幅が４０λ、中心周波数が８８１．５MHzであり、前記特開平５−２６７９９０号公報の記載にしたがって作製したものである。この試料では、ＶＳＷＲが２を大きく超えており、インピーダンス整合がとれていないことがわかる。
【００２５】
この実験から明らかなように、対数比Ｎ2／Ｎ1を０．６１〜０．６５の範囲内に保ち、フィルタ仕様に応じて総対数（Ｎ1＋２Ｎ2）を決定し、次に交差幅Ｗを（Ｎ1＋２Ｎ2）・Ｗが１９７１λ〜２２１２λの範囲内となるように決定することにより、５０Ω伝送線路系と整合のとれた縦結合型二重モードフィルタの電極構造を容易に決定することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】縦結合型二重モード弾性表面波フィルタの電極構造の基本構成を示す平面図である。
【図２】二段縦続接続した縦結合型二重モード弾性表面波フィルタの電極構造を示す平面図である。
【符号の説明】
１１  中央ＩＤＴ
１２  外側ＩＤＴ
１３  反射器
【図１】
0003933269.tif 000003
【図２】
0003933269.tif 000004