JP4680727B2 - 共振器型フィルタ - Google Patents

Description

本発明は、共振器型フィルタに係り、携帯電話等の通信装置に用いられるＧＨｚ帯の高周波の送信信号あるいは受信信号を分離するためのフィルタ装置に用いて好適な共振器型フィルタに関する。

近年、携帯電話は、単なる通話機能だけではなく、高速データ通信機能も有することが必須となりつつある。そのため、通信を実現する高周波部の面積/体積は小型化の要求が厳しくなってきている。高周波部の中でも通信に必要な信号を分別するためのフィルタ部も高周波部の小型化と共に、ますます、小型高性能な特性が要求されている。

移動通信に要求される高性能なフィルタを実現するための手段として、以下の特許文献１に開示されているような直列腕共振器と並列腕共振器を組み合わせた、いわゆる、共振器型フィルタが多用されている。この特許文献１では共振器を実現するための手段として圧電性基板にすだれ状電極を形成して表面弾性波を励起する表面弾性波共振器が開示されている。しかしながら、特許文献１で開示されている共振器型フィルタに用いられる共振器は、表面弾性波共振器に限られるものではない。例えば、以下の非特許文献１には、下部電極上に圧電性薄膜を堆積させ、さらにその上に上部電極を堆積させることにより圧電性薄膜の膜厚方向の縦振動を励起して共振器とするＦＢＡＲ（Filmed Bulk Acoustic Resonator）共振器の実用例が紹介されている。

一方、共振器型フィルタにおいて、共振器に何らかの高周波回路素子を並列接続することにより、フィルタ特性を改善する公知の手段としては、以下の技術が開示されている。

特許文献２には、直列腕共振器に並列に静電容量を並列に接続することにより直列共振周波数と並列共振周波数の間隔を制御する事により周波数特性を向上させる技術が開示されている。

また、特許文献３には、直列腕共振器に並列に静電容量を並列に接続する事により、静電容量の温度特性によって共振器の温度特性を補償する技術が開示されている。

さらに、特許文献４には、直列腕共振器にインダクタンスを並列に接続することにより、直列共振周波数と並列共振周波数の間隔を制御することによって、周波数特性を向上させる技術が開示されている。

また、表面弾性波共振器のフィルタ特性を改善する技術としては、特許文献５および特許文献６が知られている。

特許文献５は、直列接続された弾性波共振器と並列された弾性波共振器の複合共振器の共振周波数と反共振周波数を所定の関係に保つことにより、低域側の減推量劣化を改善するものである。

特許文献６は、所定の共振周波数を有する並列腕の弾性波共振器と、反共振周波数を有する直列腕の弾性波共振器において、直列腕の弾性波共振器に直列に接続されたインピーダンスと並列に接続されたインピーダンスを設けるフィルタに関するものである。

特開平１１−１９５９５７号公報 特開２００１−３４５６７５号公報 特開２００１−４４７９０号公報 特開２００４−２４２２８１号公報 特開２００３−３４７８９６号公報 特開２００２−２２３１４７号公報 ELECTRONICS LETTERS 13th May Vol.35 No.10 Page 794-795

上記の表面弾性波共振器、 ＦＢＡＲ共振器のいずれの共振器においても圧電振動体の上部に中空空間を確保しないと、振動が減衰してしまうため、フィルタチップは、セラミックなどの素材で構成されるパッケージに収納され、パッケージを介して必要な電気的接続を実現している。フィルタチップと外部回路の接続手段としては、ワイヤボンディング、フリップチップボンディング、パッケージを貫通するＶＩＡホールなどが適時使用されるが、接続手段の電気抵抗が小さくなるように、ボンディングワイヤなどはできる限り短く、本数を増やして使用されている。また、ＶＩＡホールはできる限りホール径を大きく、ホールの数は多くして使用されている。

共振器型フィルタは、移動通信に必要な周波数選択特性を実現する手段として応用が進んでいるが、上記のように小型化の要求も厳しい。フィルタチップを収納するパッケージを小型化していくと必然的に外部回路との接続手段であるワイヤボンディングやパッケージのＶＩＡホール等は、材質の有する抵抗成分を無視することが困難になってくる。特に、並列腕共振器のインピーダンスが直列共振周波数で限りなく、０に近づくことを利用して通過帯域の低域側に減衰帯域を形成する共振器フィルタでは、外部回路との接続手段の高抵抗化は低域側減衰帯域の減衰量の劣化として顕在化してくる。

米国のＰＣＳ仕様や第３世代携帯電話のＷ−ＣＤＭＡ仕様など、世界で採用されている多くの携帯電話システムでは受信帯域の周波数が送信帯域の周波数よりも低域側に設定されている。この様なシステムでは携帯端末からの送信信号と、基地局から飛来する微弱な受信信号を分離するために、送信帯域の減衰量が略50ｄＢ程度、受信帯域の通過損失が数ｄＢの受信フィルタが必要となる。

共振器型フィルタで上記の受信フィルタを設計した場合、フィルタチップとしては要求性能を満足していても小型のパッケージに収納して、高抵抗の接続手段を介して外部回路と接続した時点で送信帯域減衰量が劣化してしまうという問題点があった。

この傾向は、今後実用化が進むであろうＳｉＰ（System in Package）、ＳｏＣ（System on Chip）等の技術を利用した受動能動統合デバイスにおいては、さらに深刻な問題となる可能性がある。

以下、図１２ないし図１５を用いてパッケージが小型化した場合のフィルタ特性の劣化する問題点について説明する。

図１２は、従来技術の共振器型フィルタの等価回路を示した図である。

図１３は、大型のパッケージと小型のパッケージの構造を対比して示した図である。

図１４は、直列腕共振器と並列腕共振器の周波数特性を表すグラフである。

図１５は、フィルタ特性の劣化を大型のパッケージと小型のパッケージの場合について示したグラフである。

上記のように、従来技術には、パッケージが小型化して外部回路との接続手段が高抵抗化して、フィルタ特性が劣化する問題点がある。

図１２は、例えば、特許文献１に述べられている共振器型フィルタの等価回路であって、外部回路との接続手段３の抵抗成分が明示的に示されている。

この共振器型フィルタにおいては、直列腕共振器１の並列共振周波数が通過帯域よりも高域側に減衰域を形成し、並列腕共振器２の直列共振周波数が通過帯域の低域側に減衰極を形成する。図１４は、直列腕、並列腕、それぞれの共振器のインピーダンスの虚部の周波数特性を示したものである。インピーダンスの虚部は、図１４で示した様に直列共振周波数で０になるものの、並列腕のインピーダンスは共振器のインピーダンスと接続手段３のインピーダンスが直列に接続されるので、共振器のインピーダンスの虚部が０になっても接続手段の抵抗に起因するインピーダンスの実部が直列共振周波数においても残留することになる。既に述べた様に並列腕共振器の直列共振周波数では低域側の減衰帯域を形成するので、残留抵抗成分が大きいほど、減衰帯域の減衰量は理想的な状態よりも劣化することになる。

図１３には、フィルタチップを搭載するパッケージの大きさと外部接続端子（入出力端子Ｓ、グランド端子Ｇ）およびＶＩＡホールＶの関係が模式的に示されている。図１３（ａ）に示した様にパッケージが相対的に大きい場合と、図１３（ｂ）に示した様にパッケージが相対的に小さい場合を比較すると、製造上の物理的制約から入出力端子Ｓに対応したグランド端子Ｇは、パッケージが大きい場合の６個に対して、パッケージが小さい場合には４個に減少している。さらに、ＶＩＡホールＶの数も７個から４個に減少すると同時に、ＶＩＡホールＶの直径も小さくならざるを得なくなる。

これらのパッケージの小型化に起因する変化は、電気的に見ると、図１２で図示されている接続手段の抵抗成分３が等価的に大きくなることに対応する。並列腕共振器とグランド電位間に存在する抵抗成分が大きくなることは低域側の減衰量の劣化を招くので、パッケージの小型化によるフィルタ特性の劣化は図１５の実線（パッケージが大きい場合）と破線（パッケージが小さい場合）に示したものになる。

このように従来技術の共振器型フィルタの構成では、接続手段の高抵抗化によるフィルタ特性の劣化は避けられず、実装が高密度化すればするほどフィルタの低域側減衰量の劣化は激しくなる。

上記特許文献２ないし特許文献６は、いずれもパッケージ化の小型化に伴う低域側減衰量の特性劣化に対する改善を開示するものでない。

本発明は、これらのパッケージ実装に伴う接続手段の高抵抗化によって生じる減衰帯域の減衰量劣化を改善する方法を提案するものであり、表面弾性波共振器、縦波振動を利用するＦＢＡＲ共振器などの共振器を利用した共振器型フィルタに広く適用が可能なものである。

本発明の共振器型フィルタでは、特許文献１に記載されている直列腕の共振器と並列腕の共振器を有する手法で共振器型フィルタにおいて、少なくとも一つの直列腕共振器に並列に減衰帯域減衰量改善用の共振器を追加することにより、パッケージ実装に伴う接続手段の高抵抗化によって生じる、減衰帯域の減衰量劣化を改善する。直列腕に並列に付加する共振器の直列共振周波数を並列腕の共振器の直列共振周波数と略同一に設定することにより、二つの共振器が並列に接続された直列腕の合成アドミッタンスは二つの共振器の相互作用により、共振器を付加する前に存在したアドミッタンス＝０の周波数以外に、別の周波数でアドミッタンス＝０となる周波数が生じる。直列腕の合成回路でアドミッタンス＝０の周波数が二つ生じるということは、すなわち、直列腕の共振器（二つの共振器が並列接続された）によって減衰極が二つ生じることを示している。特許文献１に記載されている様に、共振器型フィルタでは、直列腕共振器の並列共振周波数（アドミッタンス＝０）で通過帯域の広域側の減衰帯域を形成し、並列腕共振器の直列共振周波数（インピーダンス＝０）で通過帯域の低域側減衰域を形成する。直列腕に付加する共振器によって新たに生じるアドミッタンス＝０の周波数は、並列腕共振器の直列共振周波数（インピーダンス＝０）近傍に生じるので、直列腕によって生じる第二の減衰極は、通過帯域の低域側減衰帯域に生じることになる。ここで、新たに生じた第二の減衰極は直列腕の共振器から生じているので、発明が解決しようとする課題で述べたように、パッケージの小型化による外部回路との接続手段の高抵抗化の影響を受けることはない。

以上説明したように、本発明の共振器型フィルタは、外部回路との接続手段の影響を受けない直列腕共振器の機能によって低域側減衰帯域の減衰量を確保することができる。これにより、パッケージが小型化しても、ＳｉＰ、ＳｏＣなどの次世代の実装形態を採用したときであっても、必要な減衰特性を実現することが可能になる。

本発明によれば、パッケージ実装に伴う接続手段の高抵抗化によって生じる減衰帯域の減衰量劣化を改善することができ、表面弾性波共振器、縦波振動を利用するＦＢＡＲ共振器などの共振器を利用した共振器型フィルタに広く適用することができる。

以下、図１ないし図１１を用いて本発明の各実施形態を説明する。

以下、図１ないし図６を用いて本発明の第一の実施形態を説明する。

本発明は、実装の高密度化による接続手段の高抵抗化に起因するフィルタ特性の劣化を改善するために、直列腕共振器の少なくとも一つに新たな共振器を並列に接続するものである。以下では、直列腕共振器に並列共振器を付加することで低域側減衰量を改善できることを、具体的な周波数特性を表すグラフを示しながら詳細に説明する。
図１は、本発明に係る共振器型フィルタの等価回路を示す図である。
図２は、本発明に係る共振器型フィルタを構成する直列腕共振器のインピーダンスの虚部の周波数特性を表すグラフである。
図３は、本発明に係る共振器型フィルタを構成する直列腕共振器のアドミッタンスの周波数特性を表すグラフである。
図４は、本発明に係る共振器型フィルタを構成する直列腕共振器の合成アドミッタンスの周波数特性を表すグラフである。
図５は、本発明に係る共振器型フィルタを構成する直列腕共振器の通過特性を表すグラフである。
図６は、直列腕共振器にインダクタンスを並列接続した場合の通過特性を表すグラフである。
図７は、本発明に係る共振器型フィルタの周波数特性の改善例を示すグラフでる。

図１に示される例は、従来技術の共振器型フィルタを構成する直列腕共振器の一つに、並列に共振器を接続した場合の等価回路を示している。図１に示されるように、直列腕の共振器１に並列に共振器６が接続されており、並列腕に共振器２が接続され、外部回路との接続手段により生ずる抵抗３を介して接地されている。また、図２は、並列に接続した共振器の効果を説明するために図１の破線内に示した、二つの共振器のインピーダンスの周波数特性を図示したものである。直列腕の共振器は、図１０および図１２で示したものと同一の周波数特性を有している。直列腕共振器に並列に接続される共振器のインピーダンス特性から明らかなように、並列に接続される共振器の直列共振周波数は、図１２で示されている並列腕接続の共振器と略同一に設定されるものとする。

共振器６と共振器１からなる合成回路は、共振器６と共振器１との相互作用により、共振器６の持つ共振周波数よりもわずかに高い周波数ｆｃにおいてアドミッタンスが０になる、すなわち、減衰極を生じる。本発明では並列腕の共振器の直列共振周波数近傍に前記の周波数ｆｃを設定することにより減衰特性の向上を図るものである。

したがって、図１の共振器６と共振器２の共振周波数は、減衰帯域周波数幅（例えば、ＰＣＳシステムでは６０ＭＨｚ）の範囲内で一致していることが望ましい。この条件が満たされていれば、並列腕共振器の直列共振周波数で形成される減衰帯域特性が共振器６を追加したことにより改善されることは自明である。

図１の破線内に示される二つの共振器からなる回路の動作を理解するためには、合成回路のアドミッタンスを計算する必要があるので、図２のインピーダンスの周波数特性を基に、それぞれの共振器のアドミッタンス特性を計算したものが図３である。図３から分かる様に、一点鎖線で示した周波数ｆｃにおいてそれぞれの共振器のアドミッタンスの正の成分と負の成分が等しくなる。合成回路のアドミッタンスは、それぞれの共振器のアドミッタンスの和で計算できるので、ｆｃにおいては合成回路のアドミッタンスは、０になることになる。実際の合成アドミッタンスの計算結果は、図４に示されるようになる。

従来技術の共振器型フィルタでも通過域の高域側の減衰帯域を形成するために利用されていた周波数ｆａにおけるアドミッタンス０の周波数以外に新たなアドミッタンス０の周波数がｆｃに生じていることが分かる。図１の破線内に示される二つの共振器からなる直列腕回路の通過特性を、図４のアドミッタンス特性から計算すると図５の様な特性が得られる。図５の通過特性は、直列腕共振器に並列に共振器を接続することにより、直列腕の回路から通過帯域の高域側の減衰極のみならず、通過域の低域側にも減衰極を形成できることを示している。これらの減衰極はいずれも直列腕共振器（二つの共振器が並列接続された）に起因しているものなので、共振器型フィルタの等価回路に示された接続手段３の高抵抗化とは無関係であり、高密度実装においても劣化しない低域側減衰帯域の形成を可能にするものである。

以上示した様に、直列腕共振器の並列化による、新たな減衰極の形成は共振器を並列接続したことに特有の現象であり、特許文献２および特許文献３に記載の様に静電容量を並列接続した場合には、既存の直列腕共振器の直列共振周波数と並列共振周波数の間隔が変わるだけで、新たな減衰極が形成されることは無い。また、特許文献４に記載の様にインダクタンスを並列接続した場合には、合成アドミッタンスに新たな０点を生じさせることは可能だが、インダクタンスの単調な周波数特性のため合成回路の通過特性は、図６に示すものにならざるを得ない。

図６から分かる様に、並列接続のインダクタンスで減衰極を二つ生じる条件にするとｆａが元の共振器のｆａよりも相当、高周波数側にシフトしてしまい、本来の共振器の持つ急峻性を損なってしまうことになり実用的な意味が無い。

以上、説明したように直列腕の共振器１に並列に共振器６を接続することにより（図１）、外部回路との接続手段の高抵抗化によって劣化した通過帯域の低域側減衰帯域（図７の破線で図示）を、直列腕に起因する減衰極により補強することが可能になる（図７の実線で図示）。

以下、図８を用いて本発明に係る第二の実施形態を説明する。
図８は、表面弾性波共振器の場合のパタン例を示す図である。

本実施形態は、表面弾性波フィルタで具体的に二つの共振器を並列接続する場合を例示するものである。表面弾性波共振器の場合、ＩＤＴ７と反射器８で構成される共振器に、ＩＤＴ９と反射器１０で構成される反射器を図８（ａ）の様に配置することで直列腕の共振器を並列接続することが可能である。また、図８（ｂ）の様にＩＤＴ７とＩＤＴ９の中間に配置される反射器を一体化し、反射器１１の様にすることで、直列椀の共振器に並列に接続する共振器によるチップ面積の増大を最小限度にとどめることが可能である。

以下、図９を用いて本発明に係る第三の実施形態を説明する。
図９は、並列に付加される直列腕の共振器６に、さらに、直列にインダクタンスを付加した場合の等価図である。

本実施形態は、ＦＢＡＲ（Filmed Bulk Acoustic Wave Resonator）やＳＭＲ（Solidaｌy Mounted Resonator）等のＢＡＷ（Bulk Acoustic Wave Resonator）に本発明の構成を応用する際の具体例を説明するものである。

表面弾性波共振器の場合には共振周波数はＩＤＴの基本周期で任意に設定が可能だが、ＢＡＷの場合の共振周波数は圧電性薄膜の膜厚で制御する必要があるため、あまり自由度を求めると製造プロセスの工数が増加しコスト高になってしまう。本実施形態は、この点を解決する手段を提案するものである。直列腕共振器に並列接続する共振器の共振周波数は並列腕共振器の共振周波数と略同一にすることにより、通過域の低域側減衰量を改善できることは既に説明した通りだが、設計論的には、共振周波数の設定に自由度があるほうが望ましい場合がある。その場合、図１３に示す様に、直列腕に並列に接続する共振器６に直列なインダクタンス１２を導入することにより、共振器６の追加によって生じる減衰極の周波数を微調整することが可能になる。これにより、フィルタ特性を実現するための膜厚の種類を増やすことなく、設計の自由度を上げる事が可能になる。

以下、図１０を用いて本発明に係る第四の実施形態を説明する。
図１０は、本発明の共振器型フィルタを用いた分波器の構成図である。

以上、説明したように本発明の構成によれば、従来技術で問題となっていた実装の小型化に起因する性能の劣化を改善した高周波フィルタの実現が可能になる。これらの高周波フィルタは、例えば、図１０に構成を図示するように、送信フィルタ、受信フィルタおよび位相回路からなる分波器に適用することで、高性能な分波器を実現することが可能になる。

以下、図１１を用いて本発明に係る第四の実施形態を説明する。
図１１は、本発明の共振器型フィルタを用いたフロントエンドモジュールの構成図である。

本発明の共振器型の高周波フィルタは、例えば、図１１に構成を図示するような複数の帯域の受信フィルタとスイッチ回路を組み合わせてなる高周波フロントエンドモジュール（ＦＥＭ）に適用することも可能であり、高性能ＦＥＭを実現するための要素技術となるものである。

本発明の構成により小型実装が可能な共振器型フィルタが実現できる。これらのフィルタを内蔵する分波器、フロントエンドモジュール、ＲＦモジュールおよび無線システムの性能が向上する。

本発明に係る共振器型フィルタの等価回路を示す図である。 本発明に係る共振器型フィルタを構成する直列腕共振器のインピーダンスの虚部の周波数特性を表すグラフである。 本発明に係る共振器型フィルタを構成する直列腕共振器のアドミッタンスの周波数特性を表すグラフである。 本発明に係る共振器型フィルタを構成する直列腕共振器の合成アドミッタンスの周波数特性を表すグラフである。 本発明に係る共振器型フィルタを構成する直列腕共振器の通過特性を表すグラフである。 直列腕共振器にインダクタンスを並列接続した場合の通過特性を表すグラフである。 本発明に係る共振器型フィルタの周波数特性の改善例を示すグラフでる。 表面弾性波共振器の場合のパタン例を示す図である。 並列に付加される直列腕の共振器６に、さらに、直列にインダクタンスを付加した場合の等価図である。 本発明の共振器型フィルタを用いた分波器の構成図である。 本発明の共振器型フィルタを用いたフロントエンドモジュールの構成図である。 従来技術の共振器型フィルタの等価回路を示した図である。 大型のパッケージと小型のパッケージの構造を対比して示した図である。 直列腕共振器と並列腕共振器の周波数特性を表すグラフである。 フィルタ特性の劣化を大型のパッケージと小型のパッケージの場合について示したグラフである。

符号の説明

１…直列腕共振器、２…並列腕共振器、３…外部回路との接続手段により生じる抵抗、４…ＶＩＡホール、５…ＶＩＡホール、６…直列腕共振器に並列に接続した共振器、７…ＩＤＴ、８…反射器、９…ＩＤＴ、１０…反射器、１１…反射器、１２…周波数調整用インダクタンス。

Claims (6)

1. 直列腕共振部と並列腕共振部とを有し、
   前記直列腕共振部は、第１の共振器と前記第１の共振器と並列接続される第２の共振器を有し、
   前記並列腕共振部は、第３の共振器を有し、
   前記第１の共振器が表面弾性波素子よりなり、
   前記第２の共振器が表面弾性波素子またはＢＡＷ素子よりなり、
   前記第１の共振器と前記第２の共振器と相互作用により減衰極を形成し、前記第１の共振器の減衰極の減衰帯域は、前記第１の共振器と前記第２の共振器と相互作用による減衰極の減衰帯域より高域側にあり、
   前記第２の共振器の並列共振周波数と前記第３の共振器の直列共振周波数が、減衰帯域周波数幅の範囲内で一致し、
   前記第２の共振器の並列共振周波数と前記第３の共振器の直列共振周波数が、通過帯域の低域側であることを特徴とする共振器型フィルタ。
2. 請求項１において、
   前記並列腕共振部とグランド電位間の接続にボンディングワイヤ、または、ＶIＡホールを用いることを特徴とする共振器型フィルタ。
3. 請求項１において、
   前記第１の共振器と前記第２の共振器が表面弾性波素子よりなるとき、
   前記第１の共振器の反射器と前記第２の共振器の反射器が一体化してなることを特徴とする共振器型フィルタ。
4. 請求項１において、
   前記第２の共振器が、ＢＡＷ素子であるときに、
   前記第２の共振器に、直列にインダクタンスが接続されたことを特徴とする共振器型フィルタ。
5. 共振器型フィルタを用いた分波器であって、
   前記共振器型フィルタが、
   直列腕共振部と並列腕共振部とを有し、
   前記直列腕共振部は、第１の共振器と前記第１の共振器と並列接続される第２の共振器を有し、
   前記並列腕共振部は、第３の共振器を有し、
   前記第１の共振器が表面弾性波素子よりなり、
   前記第２の共振器が表面弾性波素子またはＢＡＷ素子よりなり、
   前記第１の共振器と前記第２の共振器と相互作用により減衰極を形成し、前記第１の共振器の減衰極の減衰帯域は、前記第１の共振器と前記第２の共振器と相互作用による減衰極の減衰帯域より高域側にあり、
   前記第２の共振器の並列共振周波数と前記第３の共振器の直列共振周波数が、減衰帯域周波数幅の範囲内で一致し、
   前記第２の共振器の並列共振周波数と前記第３の共振器の直列共振周波数が、通過帯域の低域側であることを特徴とする共振器型フィルタを用いた分波器。
6. 共振器型フィルタを用いたフロントエンドモジュールであって、
   前記共振器型フィルタが、
   直列腕共振部と並列腕共振部とを有し、
   前記直列腕共振部は、第１の共振器と前記第１の共振器と並列接続される第２の共振器を有し、
   前記並列腕共振部は、第３の共振器を有し、
   前記第１の共振器が表面弾性波素子よりなり、
   前記第２の共振器が表面弾性波素子またはＢＡＷ素子よりなり、前記第１の共振器の減衰極の減衰帯域は、前記第１の共振器と前記第２の共振器と相互作用による減衰極の減衰帯域より高域側にあり、
   前記第１の共振器と前記第２の共振器と相互作用により減衰極を形成し、
   前記第２の共振器の並列共振周波数と前記第３の共振器の直列共振周波数が、減衰帯域周波数幅の範囲内で一致し、
   前記第２の共振器の並列共振周波数と前記第３の共振器の直列共振周波数が、通過帯域の低域側であることを特徴とする共振器型フィルタを用いたフロントエンドモジュール。

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