JPH05347535A - 弾性表面波フィルタ装置 - Google Patents
弾性表面波フィルタ装置Info
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- JPH05347535A JPH05347535A JP5045368A JP4536893A JPH05347535A JP H05347535 A JPH05347535 A JP H05347535A JP 5045368 A JP5045368 A JP 5045368A JP 4536893 A JP4536893 A JP 4536893A JP H05347535 A JPH05347535 A JP H05347535A
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Abstract
た弾性表面表面波フィルタ装置を提供する。 【構成】 圧電性基板として温度係数の小さい水晶基板
を用い、この水晶基板上に非対称構造一方向性トランス
ジューサを形成する。この際、浮き電極の位置を正電極
と負電極との間の中間位置から大幅にずらせて浮き電極
による機械的反射を一層有効に利用する。さらに、浮き
電極の反射係数の符号及び大きさを考慮し、浮き電極と
して短絡型浮き電極だけを用いる。
Description
置、特に温度特性及び損失特性に優れた弾性表面波フィ
ルタ装置に関するものである。
力側変換器及び出力側変換器を形成して特定の周波数帯
域の信号を取り出す弾性表面波フィルタ装置が実用化さ
れている。この弾性表面波フィルタ装置では、挿入損失
をできるだけ小さくするため入力側及び出力側変換器と
して一方向性トランスジューサが用いられている。
て、例えば特公平3−20929号公報に記載されてい
る一方向性トランスジューサが既知である。この既知の
一方向性トランスジューサは圧電性基板として大きな電
気機械結合係数を有するLiNbO3 単結晶体が用いら
れ、このLiNbO3 基板上にインタディジタル型の正
電極及び負電極が形成されている。正電極及び負電極の
電極指(弾性表面波の進行方向に見て互いに重り合う部
分)は互いにλ/2(λは基本弾性表面波の波長)の中
心間距離を以て形成され、これら正電極と負電極との間
に電気的にフローティング状態にある浮き電極が形成さ
れている。正及び負電極並びに浮き電極の電極指の弾性
表面波の伝播方向の幅はλ/8に設定され、浮き電極と
正及び負電極との間の中心間距離dは、λ/8<d<λ
/4に設定されている。
平3−133209号公報に記載されている弾性表面波
フィルタが既知である。この既知の弾性表面波フィルタ
は広帯域用のフィルタ装置として構成され、圧電性基板
として同様にLiNbO3 が用いられている。そして、
LiNbO3 基板上に正電極及び負電極が形成され、こ
れら正電極と負電極との間に開放型の浮き電極及び短絡
型の浮き電極の両方が形成されている。そして、各電極
の電極指の幅はλ/12に設定され、正電極と負電極と
の間にλ/6のピッチで開放型及び短絡型の浮き電極が
形成されている。
ィルタ装置は挿入損失が比較的小さく、しかも位相特性
及び周波数特性を適切に制御できるため高い有用性を有
している。一方、ディジタル通信システムの開発に伴な
い狭帯域特性を有し低挿入損失の弾性表面波フィルタ装
置の開発が強く要請されている。狭帯域特性のフィルタ
装置には温度変化に対する通過帯域の変化が小さく安定
な通過帯域特性が要求される。すなわち、広帯域特性の
フィルタ装置の場合、通過帯域幅自体が広いため、温度
変化によって通過帯域が変化しても帯域幅全体に対する
通過帯域の変化量の割合が小さいため大きな問題とはな
らなかった。これに対して、狭帯域フィルタ装置におい
ては、通過帯域幅自体が狭いため、設定した通過帯域幅
に対する通過帯域幅変化量の割合が大きくわずかな温度
変化により設定した中心周波数が通過帯域外となるおそ
れがあった。従って、ディジタル通信用の狭帯域フィル
タ装置においては、温度変化に対して安定な通過帯域特
性を有することが極めて重要である。
向性トランスジューサを形成した弾性表面波フィルタ装
置は、LiNbO3 基板の電気機械結合係数が大きいた
め挿入損失を低く押えることができるが、温度変化に対
する通過帯域の変化量が大きく、従って従来の弾性表面
波フィルタ装置をそのまま狭帯域フィルタ装置に適用し
たので、温度変化に起因する帯域変動の観点より実用化
できないのが実情である。
る帯域変化量が小さく、しかも挿入損失の小さい弾性表
面波フィルタ装置を提供することにある。
フィルタ装置は、圧電性基板上に入力側変換器及び出力
側変換器をそれぞれ形成した弾性表面波フィルタ装置に
おいて、前記圧電性基板を水晶または水晶と同程度の電
気機械結合係数を有する圧電性材料で構成し、前記入力
側変換器及び出力側変換器が、インタディジタル型の正
電極及び負電極と、これら正電極と負電極との間に配置
した短絡型の浮き電極とを有し、前記正電極及び負電極
の各電極指を、基本弾性表面波の波長をλとした場合
に、弾性表面波の伝播方向に沿ってλ/2の中心間距離
を以て交互に形成し、前記正電極、負電極及び浮き電極
の電極指の、弾性表面波の伝播方向の幅dを、式 0.8×λ/12≦d≦1.3×λ/12 を満たすように設定し、前記浮き電極の各電極指を、こ
れら電極指の弾性表面波の伝播方向側の端縁が、この電
極指と隣接する正電極の電極指と負電極の電極指との間
の中間位置よりも弾性表面波の伝播方向に見て手前側に
位置するように配置したことを特徴とするものである。
化について種々の実験及び解析を行なった結果、基板の
温度特性が最も強く影響していることが判明した。すな
わち、従来の弾性表面波フィルタ装置に用いられている
128°回転Yカット×方向伝播LiNbO3 基板は大
きな電気機械結合係数を有するが、周波数に対する温度
係数(TCF)が−74ppm/℃(−20℃〜80℃
において)と大きな値を有するため、温度変化に対して
通過帯域が大幅に変化する不都合が生じてしまう。この
ため、本発明では、圧電性基板材料として温度係数の小
さい水晶を用いる。STカット水晶は−20℃〜80℃
におけるTCFが1.6ppm/℃と極めて小さいた
め、温度変化に対する通過帯域変化が極めて小さいフィ
ルタ装置を実現することができる。
の、電気機械結合係数が小さいため、既知の一方向性ト
ランスジューサをそのまま適用したのでは挿入損失が大
きくなりすぎてしまい実用化することができない。この
ため、本発明では、電気機械結合係数の小さい基板材料
の特性に適合した一方向性トランスジューサを形成す
る。すなわち、電気機械結合係数の小さい基板材料を用
いる場合、電気的摂動効果が期待されないため、浮き電
極の機械的摂動効果を一層効率よく利用する。しかも、
浮き電極の配置位置について非対称構造性を一層強めて
トランスジューサの一方向性を一層高める。
載の一方向性トランスジューサでは、正電極及び負電極
の電極幅をλ/8に設定し、浮き電極の電極幅dを、λ
/8<d<λ/4に設定されている。しかしながら、正
電極及び負電極の電極幅をλ/8に設定すると、正電極
と負電極との間の中心間距離がλ/2であるから、浮き
電極を形成できる範囲は3λ/8となってしまう。この
場合、浮き電極と正電極及び負電極との間のスペースを
考慮すると、浮き電極の正電極と負電極との間の中心位
置から偏位させることができる許容範囲が小さすぎ、従
って十分な非対称構造とすることができない。すなわ
ち、正電極と負電極との間の中間位置から浮き電極を偏
位させることができるスペースが小さすぎ、非対称構造
による効果を有効に利用することができず、従ってその
まま水晶基板に適用したのでは、ユーザ仕様基準を満た
す損失特性及び位相特性を達成することができない。
209号公報に開示されているトランスジューサでは、
正電極及び負電極並びに浮き電極の電極幅をλ/12に
設定し、正電極と負電極との間に短絡型浮き電極及び開
放型の浮き電極の両方が配置されている。そして、各電
極の電極指はλ/6の中心間距離で離間している。この
電極構造は、浮き電極を、正電極と負電極との間の中心
位置から十分に偏位させることができるので、非対称構
造性を一層有効に利用でき一方向性を一層高くすること
ができる。
定し、短絡型浮き電極及び開放型の浮き電極の両方を用
いる一方向性トランスジューサを水晶基板に形成した弾
性表面波フィルタ装置を試作したところ、温度特性につ
いては良好な結果が得られたが、挿入損失が約10dB
と比較的大きく、挿入損失についてさらに一層改善する
必要があることが判明した。本発明者は、この挿入損失
について一層詳細な検討を行なったところ、浮き電極の
反射係数の符号が挿入損失に強く影響していることを見
い出した。すなわち、LiNbO3 基板の場合、短絡型
浮き電極の反射係数の符号と開放型浮き電極の反射係数
の符号とが互いに反対になるため、短絡型浮き電極と開
放型浮き電極とをλ/6離すことにより、入力側変換器
から出力側変換器に向かう方向において反射波の位相が
同一になるため相乗し、これと反対の方向においては反
射波の位相が互いに打ち消し合うので、トランスジュー
サの一方向性を高めることができる。しかしながら、水
晶基板の場合、短絡型浮き電極の反射係数の符号と開放
型浮き電極の反射係数の符号とが互いに等しいため、入
力側変換器から出力側変換器に向かう方向において反射
波が互いに打ち消し合ってしまい、一方向性に難点が生
じ、この結果挿入損失が大きくなってしまう。このた
め、本発明では、浮き電極として短絡型浮き電極及び開
放型浮き電極の両方を用いるのではなく、どちらか一方
の浮き電極だけを用いる。この場合水晶基板を用いる場
合、開放型浮き電極よりも短絡型浮き電極の方が反射係
数が大きいため、本発明では、浮き電極として短絡型浮
き電極だけを用いることにする。このように構成するこ
とにより、電気機械結合係数の小さい水晶基板を用いて
も挿入損失を極めて小さな範囲に押さえることができ、
この結果温度特性に優れると共に低損失の狭帯域弾性表
面波フィルタ装置を実現することができる。
の一例の構成を示す平面図である。圧電性基板として水
晶基板1を用いる。このSTカット水晶基板は、−20
℃〜80℃の温度範囲における周波数に対する温度係数
(TCF)が1.6ppm/℃と極めて微小である。ち
なみに、128°回転Yカット×方向伝播LiNbO3
のTCFは−74ppm/℃であるから、水晶基板は極
めて良好な温度特性を有し、温度変化による通過周波数
帯域の変動を極めて微小範囲内に維持することができ
る。水晶基板1上に入力側変換器2、シールド電極3及
び出力側変換器4をそれぞれ形成する。本発明では、入
力側変換器2及び出力側変換器4を共に一方向性トラン
スジューサで構成する。水晶のように電気機械結合係数
の小さい基板材料の場合電気的摂動効果の寄与が小さい
ため、本発明では非対称構造のトランスジューサを用い
て浮き電極による機械的反射を積極的に利用する。入力
側変換器2はインタディジタル型の第1電極である正電
極10及び第2電極となる負電極11と、これら正電極
と負電極との間に形成した短絡型浮き電極12及び13
を有し、出力側変換器4も同様に正電極14と、負電極
15と、短絡型浮き電極16及び17とを有している。
本例では、これらの電極の電極指の幅はλ/12に設定
する。これらの電極は、水晶基板1上にアルミニウム層
を蒸着又はスパッタリングし、フォトリソグラフィ法に
より形成することができる。尚、図面を明瞭にするた
め、図面上各電極の対数は2対で表示したが、通過帯域
幅に応じて種々の対数に設定することができ、例えばデ
ィジタル通信用の狭帯域フィルタの場合例えば200〜
400対に設定することができる。尚、本例では、入力
側変換器2と出力側変換器4は共に同一構造をとるた
め、入力側変換器について詳細に説明する。正電極10
の電極指10aと10bとの間のピッチ及び負電極11
の電極指11aと11bとの間のピッチは共に基本弾性
表面波の波長λに等しくなるように設定する。基本弾性
表面波の波長λは、vを水晶基板における弾性表面波の
伝播速度とし、f0 を中心周波数とした場合、λ=v/
f0 となるように設定する。また、正電極10の電極指
と負電極11の電極指との間の中心間距離はλ/2に設
定する。浮き電極12及び13は、それぞれ対をなす電
極指12a,12b及び13a,13bを有し、これら
電極指間のピッチはそれぞれλ/2に設定する。そし
て、浮き電極12の一方の電極指12aは負電極11の
電極指11aと出力側変換器側(図面の右側)において
λ/6の中心間距離を以て隣接し、他方の電極指12b
は正電極10の電極指10aと同様に出力側変換器側に
おいてλ/6の中心間距離を以て隣接する。同様に、浮
き電極13の一方の電極指13aも負電極11の電極指
11bと出力側変換器側においてλ/6の中心間距離を
以て隣接し、他方の電極指13bも正電極10の電極指
10bと出力側変換器側においてλ/6の中心間距離を
以て隣接する。このように構成すれば、浮き電極の各電
極指12a,12b,13a,13bは、これら電極指が隣接す
る正電極の電極指と負電極の電極指との間の中間点から
弾性表面波の伝播方向と反対の方向にλ/12の距離だけ
離間し、この結果非対象構造に基く浮き電極による機械
的反射特性を一層有効に利用することができ、励振され
た弾性表面波の大部分を図1の右側すなわち出力側変換
器に向けて伝播させることができる。この結果、トラン
スジューサの一方向性が一層増強され挿入損失を低減す
ることができる。水晶基板においては、この浮き電極の
正電極の電極指と負電極の電極指の中間点からの偏位量
は一方向性を高める上で極めて重要であり、その偏位量
が小さ過ぎると挿入損失が大きすぎてしまう。この偏位
量について本発明者が種々の検討をした結果、浮き電極
の電極指の一部が正電極と負電極との間の中間点上に位
置するのでは偏位量が少な過ぎ良好な損失特性が得られ
ないことが判明した。従って、この浮き電極の偏位量
は、浮き電極の弾性表面波の伝播方向側の端線が中間位
置よりも弾性表面波の伝播方向に見て手前側に位置する
ように設定しなければならない。さらに、様々の検討結
果より、浮き電極の電極指の弾性表面波の伝播方向の中
心位置が、正電極と負電極との間の中間位置からほぼ電
極指の幅だけ離間する場合、浮き電極による反射波と正
電極及び負電極によって励振された弾性表面波との間の
位相が互いに適合し、最適な損失特性及び位相特性が得
られた。
置の変形例を示す平面図である。図1で用いた部材と同
一の部材には同一符号を付して説明する。本例では、図
1に示す短絡型浮き電極12及び13を基板上で相互接
続して全体として1個の浮き電極を用いる。このように
構成しても、図1に示す構造の弾性表面波フィルタ装置
と同一の効果が得られる。
て説明する。比較実験に際し、図1の構造の一方向性ト
ランスジューサと図3に示す構造の一方向性トランスジ
ューサを水晶基板上に形成して特性評価を行なった。図
3のトランスジューサは、図1に示すトランスジューサ
において負電極11a,11bと浮き電極の電極指12
b及び13bとの間にλ/12の電極幅の開放型浮き電
極20及び21をそれぞれ配置して短絡型浮き電極と開
放型浮き電極の双方を混在させたものである。これ以外
の事項については両者は同一の条件に設定した。これら
の試作品は共に中心周波数f0 =150MHzに設定さ
れ、その特性評価試験の結果を図4に示す。図4におい
て横軸は周波数を示し、縦軸は挿入損失を示す。図4か
ら明らかなように、図1に示す本発明による弾性表面波
フィルタ装置の挿入損失は5.0dBであり、これに対
して図3に示す混在型のフィルタ装置の挿入損失は9.
8dBであり、約4.8dBだけ挿入損失を小さくする
ことができた。この実験結果より、電気機械結合係数の
小さい水晶基板の場合、短絡型浮き電極と開放型浮き電
極を混在させた構造形態よりも短絡型浮き電極だけを配
置した構造形態の方が挿入損失を一層低減できることが
明らかである。しかも、実用上、挿入損失が6.0dB
以上の場合ユーザ仕様を満足することができない。従っ
て、従来の一方向性トランスジューサを水晶基板に単に
適用しただけではユーザ仕様を満足することができな
い。しかしながら、本願発明のように、正電極と負電極
との間に短絡型浮き電極だけを配置することにより挿入
損失を約4.8dB小さくすることができ、この結果ユ
ーザ仕様を十分に満たすことができる。
波の伝播方向における幅)について説明する。挿入損失
の要因として、弾性表面波の伝播による損失、電極での
電気抵抗による損失、及び電気回路の不整合によるリタ
ーン損失が考えられる。このうちリターン損失について
は電気回路において電気的な整合を行なうことにより改
善することができる。また、弾性表面波の伝播による損
失は弾性表面波フィルタ装置固有のものである。そこ
で、本発明者は挿入損失と電極における電気抵抗との関
係について検討した。電極における電気抵抗は正及び負
電極の電極幅と密接な関連性があり、電極幅を細くする
程電気抵抗が大きく挿入損失も大きくなることが予想さ
れる。さらに、電極幅と反射効率及び励振効率の関係に
おいても電極幅を細くすると反射及び励振効率が低下す
ることが予測される。図5は電極幅と挿入損失との関係
の実験結果を示すグラフである。本実験に際し、図1に
示す一方向性トランスジューサを水晶基板上に形成した
弾性表面波フィルタ装置について、開口長(正電極と負
電極との電極指が弾性表面波の進行方向において互いに
重り合う長さ)が40λと100λの2種類のフィルタ
装置を用意した。そして、開口長100λのフィルタ装
置について0.5×λ/12から1.3×λ/12まで
0.1×λ/12毎に電極幅が増加するフィルタ装置を
試作して特性評価を行ない、開口長40λのフィルタ装
置については0.6×λ/12から1.3×λ/12ま
で0.1×λ/12毎に電極幅が増加するフィルタ装置
を試作して特性評価を行なった。図5において、横軸は
電極幅(×λ/12)を示し、縦軸は挿入損失(dB)
を示す。実線は開口長が40λのデータを示し、波線は
100λのデータを示す。図5から明らかなように、開
口長が40λの素子及び100λの素子共に電極幅が増
大するに従って挿入損失は低下している。挿入損失の実
用上の基準は6dB以下であるから、この基準を満たす
には電極幅は0.8×λ/12以上でなければならな
い。
ると共に周波数特性において波形歪が増大するおそれが
ある。このため、電極幅とGDTとの関係について検討
した。図6は電極幅(×λ/12)とGDT(μ秒)と
の関係の実験結果を示す。横軸は電極幅(×λ/12)
を示し、縦軸はGDT(μ秒)を示す。電極幅が太くな
るにつれてGDTも増大している。GDTの実用上のユ
ーザ仕様基準は1.0μ秒以下である。従って、図6の
結果より、GDTの実用基準を満たすには電極幅は1.
3×λ/12以下に設定する必要がある。
結果より、水晶基板上に非対称一方向性トランスジュー
サを形成した弾性表面波フィルタ装置では、電極幅が増
大するに従ってGDTが増大し、電極幅が狭くなるに従
って挿入損失が悪化する特性がある。この実験結果よ
り、ユーザ仕様基準を考慮すると、電極幅dは、0.8
×λ/12≦d≦1.3×λ/12を満たすように設定
することが好ましい。
種々の変形や変更が可能である。例えば、上述した実施
例では、圧電性基板として水晶基板を用いたが、例えば
Li 2 B4 O7 のように水晶と同程度の小さい電気機械
結合係数を有する基板材料にも適用することができる。
さらに、本発明は狭帯域フィルタだけでなく種々の帯域
幅の弾性表面波フィルタ装置に適用することができ、変
換器の対数を通過帯域幅に応じて適切に設定することに
より例えば映像回路用の広帯域フィルタ、移動体通信シ
ステム用の狭帯域フィルタ、さらには位相特性が重視さ
れるディジタル通信用のフィルタ装置にも適用すること
ができる。
板材料として周波数に対する温度係数(TCF)が極め
て微小な圧電性基板を用いると共に、浮き電極の配置位
置を正電極と負電極との間の中間位置よりも大幅に偏位
させて非対称構造に基く効果を一層強く利用し浮き電極
による機械的反射を一層有効に利用しているので、低い
挿入損失で位相特性も優れ、しかも温度変化による影響
を受けにくい弾性表面波フィルタ装置を実現することが
できる。また、電極幅を適切に設定しているので、挿入
損失及びGDTの両方についてユーザ仕様基準を満足で
きる弾性表面波フィルタ装置を実現することができる。
一例を示す線図的平面図である。
変形例を示す線図的平面図である。
ンスジューサの形態を示す線図的平面図である。
従来の弾性表面波フィルタ装置の周波数特性を示すグラ
フである。
電極幅と挿入損失との関係を示すグラフである。
電極幅とGDTとの関係を示すグラフである。
Claims (2)
- 【請求項1】 圧電性基板上に入力側変換器及び出力側
変換器をそれぞれ形成した弾性表面波フィルタ装置にお
いて、 前記圧電性基板を水晶または水晶と同程度の電気機械結
合係数を有する圧電性材料で構成し、 前記入力側変換器及び出力側変換器が、インタディジタ
ル型の正電極及び負電極と、これら正電極と負電極との
間に配置した短絡型の浮き電極とを有し、 前記正電極及び負電極の各電極指を、基本弾性表面波の
波長をλとした場合に、弾性表面波の伝播方向に沿って
λ/2の中心間距離を以て交互に形成し、 前記正電極、負電極及び浮き電極の電極指の、弾性表面
波の伝播方向の幅dを、式 0.8×λ/12≦d≦1.3×λ/12 を満たすように設定し、 前記浮き電極の各電極指を、これら電極指の弾性表面波
の伝播方向側の端縁が、この電極指と隣接する正電極の
電極指と負電極の電極指との間の中間位置よりも弾性表
面波の伝播方向に見て手前側に位置するように配置した
ことを特徴とする弾性表面波フィルタ装置。 - 【請求項2】 圧電性基板上に入力側変換器及び出力側
変換器をそれぞれ形成した弾性表面波フィルタ装置にお
いて、 前記圧電性基板を水晶または水晶と同程度の電気機械結
合係数を有する圧電性材料で構成し、 前記入力側変換器及び出力側変換器が、インタディジタ
ル型の正電極及び負電極と、これら正電極と負電極との
間に配置した短絡型の浮き電極とを有し、 前記正電極及び負電極の各電極指を、基本弾性表面波の
波長をλとした場合に、弾性表面波の伝播方向に沿って
λ/2の中心間距離を以て交互に形成し、 前記浮き電極の各電極指を、これら電極指の弾性表面波
の伝播方向における中心位置が、この電極指と隣接する
正電極の電極指と負電極の電極指との間の中間位置より
も弾性表面波の伝播方向に見てλ/12の距離だけ手前側
に位置するように配置し、 前記正電極、負電極及び浮き電極の電極指の、弾性表面
波の伝播方向の幅dを、式 0.8×λ/12≦d≦1.3×λ/12 を満たすように設定したことを特徴とする弾性表面波フ
ィルタ装置。
Priority Applications (4)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP04536893A JP3363937B2 (ja) | 1992-03-26 | 1993-03-05 | 弾性表面波フィルタ装置 |
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