專利名稱：表面聲波元件和使用該元件的雙工器的制作方法
技術領域：
本發明總體上涉及表面聲波元件，并且更具體地，涉及適合用作移動通信裝置的射頻部分中的濾波器的表面聲波元件，其中，這樣的濾波器需要具有高級濾波器(advanced filter)帶通特性，特別是較高的擊穿功率和改善的通帶形狀因數。另外，本發明涉及一種采用上述表面聲波元件的雙工器。
背景技術：
通常用作SAW濾波器的表面聲波元件(SAW元件)已經被廣泛應用于移動通信裝置例如蜂窩式電話。特別地，近年來，為了縮小尺寸、降低移動通信裝置的厚度，用SAW元件代替用于將發送和接收信號相互分開的電介質型天線雙工器的開發已經相當活躍。要利用SAW技術發展天線雙工器，主要的是要改善SAW元件的擊穿功率和通帶形狀因數。這種改進的原因如下面所述。首先，天線雙工器被置于緊靠天線之前，并且有被放大的高功率通過該雙工器。如果SAW元件不具有足夠的擊穿功率，則可能被毀壞。其次，最近的移動通信系統采用相互非常接近的發射波段和接收波段。為了防止發送波段和接收波段之間的串擾，各通帶具有陡峭的前/后沿。如上所述，為了用SAW技術實現天線雙工器，必須改善SAW元件的擊穿功率和通帶的形狀因數。
存在兩種改善SAW元件的擊穿功率的途徑。第一種途徑是改進激勵SAW的叉指式換能器的材料。第二種途徑是改進包含有叉指式換能器的電極的設計。第一種途徑例如在日本未審專利公開Nos.5-90268和4-288718中被公開。
第二種途徑例如在日本未審專利申請No.10-303698中被公開，其中分別形成一個梯形SAW濾波器的共振器的叉指式換能器具有略有不同的電極指周期。特別是，提出了一種用于提高擊穿功率的獨特設計。根據所建議的設計，位于從輸入側觀察的第一級中的串聯臂共振器的電極指周期比另一個串聯臂共振器的小，同時，位于從輸入側觀察的第一級中的并聯臂共振器的電極指周期比另一個并聯臂共振器的大。上述公開稱，電極指的上述設置能夠使擊穿功率達到最弱的共振頻率移到通帶之外。更具體地說，根據該公開，通過減小電極指周期，第一級中串聯臂共振器的共振頻率被設置得較高并且，通過增大電極指周期，第一級中并聯臂共振器的共振頻率被設置得較低。該公開中所公開的上述設計大大提高了SAW濾波器的擊穿功率，并且能夠實現具有在800MHz至1GHz范圍內的通帶的天線雙工器。
最近的移動通信系統采用范圍在1.8GHz至2GHz的通帶，這比傳統的通帶通帶頻率高。這種較高的通帶頻率需要進一步改進通帶形狀。即，除非同時改進擊穿功率和通帶形狀，否則不能實現用于更高頻帶的SAW濾波器。通帶向更高頻率的移動需要對SAW濾波器的擊穿功率進行改進。應當注意，通帶的頻率與叉指式換能器的電極指周期成反比。即，通帶頻率越高，則指周期越短。結果，各指變得更窄，使擊穿功率特性變差。
通常，同時改進梯形SAW濾波器的擊穿功率和通帶形狀非常困難。這是因為梯形SAW濾波器的擊穿功率與頻率有關。如日本未審專利公開No.10-303698的圖3中所公開的那樣，已知擊穿功率變成最弱時的頻率位于通帶和拒絕域(rejection range)之間。如果改進濾波器通帶形狀，使其具有更陡峭的前/后沿，則通帶和拒絕域將相互更加靠近，從而對應于最弱擊穿功率的頻率變得與通帶非常接近。在這種情況下，擊穿功率大大低于不具有良好通帶形狀的SAW濾波器的擊穿功率。

發明內容
本發明的目的是同時改善SAW元件的擊穿功率和通帶形狀。
本發明更具體的目的是提供一種SAW元件，該SAW元件具有基于與現有機理不同的獨特原理而加以改進的擊穿功率和通帶形狀。
根據本發明的第一個方案，提供一種表面聲波元件，該表面聲波元件包括一個呈梯形布置在一個壓電基片上的表面聲波(SAW)共振器，從表面聲波元件的輸入側觀察的第一級的串聯臂共振器的共振頻率fs1和所有剩余串聯臂SAW共振器的平均共振頻率fsav滿足1.00fsav＞fs1≥0.99fsav。本發明人發現，上述條件減小了在較高頻率側的帶緣處消耗的能量，并且提高了擊穿功率。這意味著，在特定的通帶中，通過將第一級的串聯臂共振器的共振頻率向較低頻率變化，可以提高擊穿功率。本發明的原理與現有技術不同，在現有技術中，提高第一級串聯臂共振器的共振頻率，從而使得該共振頻率超出特定的通帶，以改善擊穿功率。
根據本發明的第二個方案，提供一種表面波元件，該表面聲波元件包括一個呈梯形布置在一個壓電基片上的表面聲波(SAW)共振器，各串聯臂共振器的各叉指式換能器的(電極指寬度)/(電極指周期)的比值相互基本相等，從表面聲波元件的輸入側觀察的第一級的串聯臂共振器的電極指周期λs1和其余所有串聯臂SAW共振器的平均電極指周期λsav滿足1.01λsav≥λs1＞1.00λsav。本發明人發現，上述條件減小了在較高頻率側的帶緣處消耗的能量，并且提高了擊穿功率。這意味著，在特定的通帶中，通過使第一級的串聯臂共振器的共振頻率向較低頻率變化，可以提高擊穿功率。本發明的原理與現有技術不同，在現有技術中，提高第一級串聯臂共振器的共振頻率，從而使得該共振頻率超出特定的通帶，用以改善擊穿功率。
根據本發明的第三個方案，提供一種表面聲波元件，該表面聲波元件包括一個呈梯形布置在一個壓電基片上的表面聲波(SAW)共振器，從表面聲波元件的輸入側觀察的第一級的并聯臂共振器的共振頻率fp1和其余所有并聯臂SAW共振器的平均共振頻率fpav滿足1.01fpav≥fp1＞1.00fpav。本發明人發現，上述條件減小了在較低頻率側的帶緣處消耗的能量，并且提高擊穿功率。這意味著，在特定的通帶中，通過使第一級的并聯臂共振器的共振頻率向較高頻率變化，可以提高擊穿功率。本發明的原理與現有技術不同，在現有技術中，減小第一級并聯臂共振器的共振頻率，從而使得該共振頻率超出特定的通帶，用以改善擊穿功率。
根據本發明的第四個方案，提供一種表面聲波元件，該表面聲波元件包括一個呈梯形布置在一個壓電基片上的表面聲波(SAW)共振器，各并聯臂共振器的叉指式換能器的(電極指寬度)/(電極指周期)的比值相互基本相等，從表面聲波元件的輸入側觀察的第一級的并聯臂共振器的電極指周期λp1和其余所有并聯臂SAW共振器的平均電極指周期λpav滿足1.00λpav≥λp1＞0.99λpav。本發明人發現，上述條件減小了在較低頻率側的帶緣處消耗的能量，并且提高擊穿功率。這意味著，在特定的通帶中，通過使第一級的并聯臂共振器的共振頻率向較高頻率變化，可以提高擊穿功率。本發明的原理與現有技術不同，在現有技術中，減小第一級并聯臂共振器的共振頻率，從而使得該共振頻率超出特定的通帶，用以改善擊穿功率。
根據本發明的第五個方案，根據本發明第一或第二方案的SAW元件可以這樣構成，即，使得至少一個串聯臂共振器的叉指式換能器的電極指寬度大于等于所述至少一個串聯臂共振器的電極指周期的7.5％并且小于該電極指周期的25％。更優選地，至少一個串聯臂共振器的叉指式換能器的電極指寬度大于等于所述至少一個串聯臂共振器的電極指周期的15％并且小于該電極指周期的22.5％。
根據本發明的第六個方案，至少一個串聯臂的叉指式換能器具有指不重疊的部分，所述部分的長度等于電極指周期的1.0-4.5倍，并且在不重疊的部分中設置與SAW的激勵無關的虛電極(dummyelectrode)。


本發明的其它目的、特征和優點，在結合附圖進行閱讀時將從下述說明中變得更加清楚，其中圖1A表示根據本發明的一個實施例的SAW元件的結構；圖1B表示圖1A中所示的SAW元件的一個等效電路；圖2A是表示一個SAW共振器的作為頻率的函數的阻抗變化的曲線圖；圖2B是表示該SAW共振器的作為頻率的函數的衰減變化的曲線圖；圖3是表示能量消耗和通帶特性的計算結果的曲線圖；圖4是表示僅通過改變共振器的電極指周期λs1所觀察到的最靠近SAW濾波器輸入側的第一級的串聯臂共振器中的能量消耗的變化的曲線圖；圖5是表示作為第一級串聯臂共振器S1的電極指周期的變化比例的函數的能量消耗峰值強度的變化的曲線圖；圖6是表示僅通過改變靠近輸入側的并聯臂共振器P1的電極指周期所觀察到的功率消耗的峰值強度的變化的曲線圖；圖7是表示作為第一級的并聯臂共振器P1的電極指周期的變化比例的函數的能量消耗的峰值強度的變化的曲線圖；圖8表示用于驗證形狀因數的串聯臂共振器的結構；圖9是表示當(電極指寬度)/(電極指周期)的值發生變化時產生的通帶變化的曲線圖；圖10是當(電極指寬度)/(電極指周期)的值設置為0.175時獲得的通帶特性的曲線圖；圖11是表示當第一級的串聯臂共振器S1的電極指周期變化時所觀察到的形狀因數的變化的曲線圖；圖12是表示形狀因數的定義的曲線圖；圖13是表示當(電極指寬度)/(電極指周期)的比值等于0.25時所觀察到的作為第一級串聯臂共振器S1的電極指周期變化的函數的形狀因數的變化的曲線圖；圖14表示叉指式換能器的指不重疊(不交叉)部分的長度；圖15是當串聯臂共振器的叉指式換能器的指不重疊部分的長度變化時所觀察到的通帶的變化的曲線圖，其中，在所述指不重疊部分設置有虛電極；圖16表示當第一級的串聯臂共振器S1的電極指周期處于指不重疊部分的長度等于電極指周期的2.5倍的條件下時所觀察到的形狀因數的變化；圖17表示第四個例子中使用的SAW濾波器的結構；圖18表示用于驗證形狀因數的串聯臂共振器的結構；圖19表示當指不重疊部分的長度變化時所觀察到的通帶變化；圖20是根據本發明的一個方面的雙工器的框圖；圖21是示意性表示該雙工器的頻率特性的曲線圖。
具體實施例方式
現在，參照附圖對本發明的實施例進行說明。
(第一個實施例)本發明的第一個實施例是前述本發明第一和第二個方案的實施例。本發明第一和第二個方面可以提高擊穿功率。為了便于更好地理解本發明第一和第二個方案，首先對由形成于一個以串聯臂和并聯臂方式布置的壓電基片或芯片(chip)上的SAW共振器制成的梯形SAW濾波器的擊穿功率的頻率依賴性進行說明。梯形SAW濾波器是典型的SAW元件。
如前述日本未審專利公開No.10-303698的圖3所示，已知當頻率變化時能量被施加到梯形SAW濾波器上，基片的溫度在通帶和拒絕域之間的中間頻率處變為最高。換而言之，梯形SAW濾波器的擊穿功率在該頻率處最弱。
借助計算機模擬可以驗證上述實驗事實。圖1A表示在該模擬中使用的SAW元件或裝置的結構。圖1A的SAW濾波器是由四個串聯臂共振器S1-S4和兩個并聯臂共振器P1和P2構成的四階段結構的梯形濾波器，所述共振器形成于一個LiTaO342°Y切割X生長(Y-cutX-propagation)基片10上。各共振器是一個單端 SAW共振器。各共振器具有一個叉指式換能器S1-S4、P1或P2(為了簡明起見，其符號與用于指示共振器的符號相同)，和兩個設置在叉指式共振器的兩側的反射器11和12。如圖1A中放大所示，各串聯臂共振器S1-S4的電極指周期表示為λs1，并且各并聯臂共振器P1和P2的電極指周期表示為λp1。
圖2A和2B表示SAW共振器的頻率特性和衰減量之間的關系。更具體地，圖2A表示串聯臂共振器(例如S1)的阻抗的頻率特性和并聯臂共振器(例如P1)的導納的頻率特性。串聯臂共振器的阻抗被表示為Zs＝r+jx，其中Zs是串聯臂共振器的阻抗，r是電阻分量，x是電抗分量。并聯臂共振器的導納被表示為Yp＝g+jb，其中Yp是并聯臂共振器的導納，g是電導分量，b是電納分量。曲線圖的垂直軸表示阻抗或導納，并且其水平軸表示頻率。水平軸上電抗x或電納b為零的位置對應于串聯臂和并聯臂共振器的共振頻率。從圖2A中可以看出，串聯臂共振器的共振頻率大致等于并聯臂共振器的反共振頻率。
圖2B表示與圖2A中所示的頻率特性相符的SAW元件的濾波器特性。通帶包含串聯臂共振器的共振頻率，并且阻抗Zs大致為零。這使得最大的電流流過串聯臂共振器。并聯臂共振器的導納可以不為接近串聯臂共振器的共振頻率的零。這可以導致微小的電流流過并聯臂共振器。
根據上述說明，可以說圖1A所示的SAW濾波器是一個具有以并聯臂方式布置的單端口SAW共振器(P1、P2)和以串聯臂方式布置且具有與并聯臂共振器反共振頻率大致相等的共振頻率的單端口SAW共振器(S1-S4)的梯形SAW元件，其中，各共振器(S1-S4、P1、P2)具有梳狀電極(叉指式換能器)，所述梳狀電極具有相應數目的電極指。
表1中所示的參數值是對形成上述SAW濾波器的共振器給出的，并且計算出了其中消耗的功率。
表1

這里，圖1A所示的布置被轉換成一個圖1B所示的等效電路，其中，共振器為各導納元件(Ys1、Ys2、Ys3、Ys4、Yp1、Yp2)，并且一個具有50Ω內阻r的ac電源OSC連接到SAW濾波器的輸入端上，同時，將50Ω的載荷Ro連接到其輸出端上。然后，對等效電路進行計算以獲得在所有共振器中的電流和電壓并且獲得功率消耗量。
圖3中表示功率消耗量和通帶特性的計算結果。對于串聯臂共振器S1-S4，在通帶的高頻側的過渡部分中存在功率消耗的峰值(曲線S2與曲線S3重疊)。對于并聯臂共振器P1和P2，在通帶的低頻側的過渡部分中存在功率消耗的峰值。應當注意，功率消耗越大，則擊穿功率越低。上述計算結果表明，在過渡部分中消耗大量的功率，其中的擊穿功率特性變差。另外，對于串聯臂共振器，最接近輸入側的共振器S1具有最大的峰值。類似地，對于并聯臂共振器，最靠近輸入側的共振器P1具有最大的峰值。這表明最靠近SAW濾波器的輸入側的共振器具有相當低的擊穿功率。由計算得出的這一結論與實驗結果非常一致。基于上述考慮，本發明人研究了提高在圖1B中所示的等價電路中的擊穿功率的適當途徑。
從上述計算結果可以看出，通過減小最靠近輸入端的共振器中的功率消耗，可以提高SAW濾波器的擊穿功率。首先，說明串聯臂共振器。在圖1A所示的梯形SAW濾波器結構中，在圖4中表示出了當僅改變共振器S1的電極指周期λs1時所獲得的第一級串聯臂共振器S1的功率消耗的變化。在這種情況下，所有其它串聯臂共振器S2、S3和S4的電極指周期λs2、λs3和λs4不變。圖4表示，通過將第一級的串聯臂共振器S1的電極指周期增加0.005μm以便使得到的周期λs1變為等于2.095μm，可以減小功率消耗的峰值強度。圖5表示功率消耗的峰值強度(用相對值表示)相對于串聯臂共振器S1的電極指周期λs1的變化比例的變化。當變化比例為“0”(λs1沒有變化)時，功率消耗的峰值強度的變化相對值為“1”。從圖4和5中可以看出，可以減小第一級的串聯臂共振器S1的峰值強度，以便通過使第一級的共振器S1的電極指周期λs1比其余所有串聯臂共振器S2、S3和S4的電極指周期λs2、λs3、λs4長，可以提高擊穿功率。相反，據推測，功率消耗的峰值強度可以變得更大，并且，擊穿功率可以通過稍微縮短共振器S1的電極指周期λs1而變差。
現在說明電極指周期的變化量。圖5表示通過將電極指周期λs1設置成一個比平均電極指周期λsav(在所考慮的例子中＝λs2、λs3、λs4)長的值，即使只是略長，也可以減小第一級串聯臂共振器S1的峰值強度。通過將電極指周期λs1的變化比例增加到0.7％，即可減小峰值強度。當周期λs1的變化比例大于0.7％時，峰值強度基本上不減小，擊穿功率中的改善固定下來。這表示，不能由擊穿功率確定變化比例的上限。周期λs1的變化比例可以由對通帶特性的影響而加以限制。當能量消耗峰值的變化的相對值等于或小于1％時，濾波器通帶特性不受顯著影響。因此，優選地，電極指周期λs1符合1.01λsav≥λs1＞1.00λsav。
下面，說明由于改變電極指周期而導致的共振頻率的變化。通常，下述等式成立f＝v/λ(1)其中，f是SAW共振器的共振頻率，λ是電極指周期，v是SAW的速率(velocity)。即，頻率與電極指周期成反比。因此，串聯臂共振器S1的條件1.01λsav≥λs1＞1.00λsav可以被改寫為1.00fsav＞fs1≥0.99fsav，其中，fs1是串聯臂共振器S1的共振頻率，fsav是其余所有串聯臂共振器S2、S3和S4的共振頻率fs2、fs3和fs4的平均值。擊穿功率可以通過在1.00fsav＞fs1≥0.99fsav的范圍內選擇第一級共振器S1的共振頻率而得到提高。
通過使第一級串聯臂共振器的共振頻率向通帶的低頻變化，可以提高擊穿功率。這一工作原理與現有技術不同，在現有技術中，使第一級串聯臂共振器的共振頻率較高，從而移到通帶之外，用以提高擊穿功率。
下面，將考慮改變共振頻率而不改變電極指周期的可能途徑。可以從等式(1)中看出，不僅可以通過改變電極指周期而且可以通過改變SAW的速率來改變共振頻率。應當理解，SAW速率取決于(電極指寬度)/(電極指周期)的比值。根據這些事實，本發明的第二個方案采用裝配有各自的叉指式換能器的串聯臂共振器，所述叉指式換能器具有精確相等或近似相等(即，基本相等)的(電極指寬度)/(電極指周期)比值，從而，所有串聯臂共振器具有相等或基本相等的SAW速率，并且僅通過改變電極指周期便可以提高擊穿功率。或者，僅通過改變SAW速率或通過同時改變SAW速率和電極指周期可以改變共振頻率。只要第一級的串聯臂共振器的共振頻率落在本發明的第一個方案所確定的范圍內，便可以提高擊穿功率。
例如，使串聯連接到SAW濾波器的信號輸入端上的第一級串聯臂共振器S1的叉指式換能器中的(電極指寬度)/(電極指周期)比值大于其余所有串聯臂共振器S2-S4的叉指式換能器中(電極指寬度)/(電極指周期)的比值。這樣，通過利用SAW速率的變化導致的效果，可以調節共振頻率。在這種情況下，所有串聯臂共振器S1-S4可以具有相同的電極指周期。進而，由于第一級的串聯臂共振器S1的叉指式換能器具有更寬的電極指寬度，所以可以提高擊穿功率。
作為另一個例子，通過使第一級的串聯臂共振器的叉指式換能器的電極指周期比所有其余串聯臂共振器的平均電極指周期大，降低從輸入側看的第一級的串聯臂共振器的共振頻率，可以提高擊穿功率。作為本發明的第二個方案，不需要所有串聯臂共振器具有精確或幾乎(即，基本)相等的(電極指寬度)/(電極指周期)比值。擊穿功率可以在由本發明第一個方案限定的共振器頻率范圍內提高。
(第二個實施例)現在，給出本發明第二個實施例的說明。本實施例涉及前述本發明的第三和第四個方案，目的是提高從輸入側看第一級的并聯臂共振器的擊穿功率。基本上，第一級并聯臂共振器的擊穿功率提高的原因與第一級串聯臂共振器擊穿功率提高的原因相同。
圖6表示在圖1A和1B所示的結構中，當僅改變最接近SAW濾波器的輸入端的并聯臂共振器的電極指周期λp1時所獲得的第一級的并聯臂共振器P1中的功率消耗的變化。從圖6可以看出，通過縮短第一級并聯臂共振器P1的電極指周期λp1，減小了功率消耗的峰值。圖7表示作為第一級并聯臂共振器P1的電極指周期λp1相對于基準“0”(該處峰值強度的變化相對值為“1”)的變化比例的函數的峰值強度的變化(以相對于“1”的相對值表示)。從圖7中可以看出，通過將第一級并聯臂共振器P1的電極指周期λp1設置為比其它并聯臂共振器P2的電極指周期短的值，可以提高擊穿功率。
現在，說明電極指周期的變化量。圖7表示，通過將電極指周期λp1設置為比平均電極指周期λpav(在所考慮的例子中＝λp2)短，即使是略微短一點，也可以減小第一級并聯臂共振器P1的峰值強度。通過將電極指周期λp1減小到-1.0％，即可以減小峰值強度。當周期λp1超出-1.0％時，峰值強度基本上沒有減小，擊穿功率的提高穩定下來。變化比例的上限不能用擊穿功率來限定。可以由對通帶特性的影響來限制周期λp1的變化比例。當功率消耗的峰值變化的相對值等于或小于1％時，濾波器通帶特性不受顯著影響。因此，優選地，電極指周期λp1滿足1.00λpav＞λp1≥0.99λpav。
下面說明通過改變電極指周期而產生的共振頻率的變化。象串聯臂共振器的情況一樣，可使用等式(1)。因此，用于并聯臂共振器P1的條件1.00λpav＞λp1≥0.99λpav可以改寫成1.01fpav≥fp1＞1.00fpav，其中，fp1是第一級的并聯臂共振器P1的共振頻率，fpav是所有其余并聯臂共振器的共振頻率的平均值(在所考慮的情況中，僅有共振器P2；因此fpav＝fp2)。擊穿功率可以通過在1.01fpav≥fp1＞1.00fpav的范圍內選擇第一級的并聯臂共振器P1的共振頻率fp1來提高。
并聯臂共振器的共振頻率可以象在串聯臂共振器的情況下那樣通過改變SAW速率而變化，更具體地說，使從SAW濾波器的輸入側觀察的第一級并聯臂共振器的叉指式換能器的(電極指寬度)/(電極指周期)比值小于所有其余并聯臂共振器的叉指式換能器的(電極指寬度)/(電極指周期)的平均比值。另一個提高擊穿功率的途徑是，通過將從輸入側看的第一級的叉指式換能器的電極指周期設置為一個比所有其余并聯臂共振器的叉指式換能器的平均電極指周期短的值，以提高第一級的并聯臂共振器的共振頻率。在這種情況下，不要求所有并聯臂共振器P1、P2具有相等的(電極指寬度)/(電極指周期)比值。只要共振頻率fp1滿足條件1.01fpav≥fp1＞1.00fpav，便可以實現擊穿功率的提高。
如上所述，擊穿功率可以通過第一級的并聯臂共振器P1的共振頻率向特定通帶中的較高頻率的變化來提高。上述工作原理與現有技術不同，在現有技術中，使第一級的并聯臂共振器的共振頻率較低，以便移出到特定通帶之外，用以提高擊穿功率。
(第三個實施例)現在，給出本發明第三個實施例的說明。該實施例涉及本發明的前述第五個方案。
第三個實施例是一個具有下述設計的SAW元件，其中，在本發明的第一和第二個方案中的至少一個串聯臂共振器的叉指式換能器的電極指寬度等于或大于上述叉指式換能器的電極指周期的7.5％，并且小于其25％。這同時改善了擊穿功率和通帶的形狀因數。例如，串聯臂共振器S1-S4中的第一串聯臂共振器S1的設計使得(電極指寬度)/(電極指周期)的值小于0.25，在0.25處，電極指寬度等于電極指間隔。即，(電極指寬度)/(電極指周期)的比值等于或大于7.5％并且小于25％。這減小了第一級的串聯臂共振器S1的共振頻率，從而可以同時改善擊穿功率和形狀因數。擊穿功率提高的原因已經作了說明。現在，用試驗結果說明形狀因數改善的原因。
當電極指的間隔和寬度相互相等時，(電極指寬度)/(電極指周期)的值為0.25。相反，本發明第五個方案具有相對窄的電極指寬度和相對大的電極指間隙或間隔。本發明人所做的實驗結果顯示，通帶的形狀因數可以通過使指的寬度更窄而得到提高。
發明人制備了一個圖8所示的串聯臂共振器，并對通過改變(電極指寬度)/(電極指周期)的值造成的通帶特性的變化進行了研究。梯形SAW濾波器的高頻側的過渡部分的陡度由串聯臂共振器的特性來確定。因此，當串聯臂共振器的過渡部分變陡時，SAW的形狀因數得到改善。圖9表示我們的試驗結果，其中，描繪出了響應于(電極指寬度)/(電極指周期)的比值變化在通帶中產生的變化。在表2中表示出了所用的其它設計參數。
表2

從圖9中可以看出，通過將(電極指寬度)/(電極指周期)的比值設置得小于0.25，通帶高頻端部分上升，從而過渡部分變陡。已經證實，形狀因數也可以通過將(電極指寬度)/(電極指周期)的比值減小到0.075而得到改善。然而，未能證實當(電極指寬度)/(電極指周期)的比值低于0.075時形狀因數的改善。因此發現，以梯形SAW濾波器中的至少一個串聯臂共振器的叉指式換能器中(電極指寬度)/(電極指周期)的比值小于0.25(25％)并且等于或大于0.075(7.5％)的方式，可以改善SAW濾波器的形狀因數。
本發明人制備了一個梯形SAW濾波器，該濾波器具有如圖1A和1B所示的結構，其中，各串聯臂共振器的叉指式換能器中的(電極指寬度)/(電極指周期)的比值等于0.175。所采用的其它參數值表示在表3中。
表3

圖10表示表3中的上述SAW濾波器的頻率特性和一個用于比較的SAW濾波器的頻率特性，用于比較的SAW濾波器具有表1中所示的參數值并且(電極指寬度)/(電極指周期)的比值為0.25。盡管可以通過將(電極指寬度)/(電極指周期)的比值設定得小于0.25來改善形狀因數的原因還沒有完全被理解，但是觀察到的事實表明，通過上述設定，通帶的高頻端部分實際上提高了。
現在，將給出當根據本發明第一或第二個方案用于改善擊穿功率的手段被應用于上述具有提高的通帶高頻端部分的梯形SAW濾波器時所觀察到的形狀因數的變化。通過僅將具有表3中所示的參數值的第一級的串聯臂共振器S1的電極指周期改變成不同的值，準備好各種SAW濾波器。然后，驗證這些SAW濾波器的形狀因數。圖11中表示驗證的結果。如圖12中所示，在該驗證中，形狀因數被定義為在高頻側的過渡部分中對應于-3dB的衰減的頻率和在同一過渡部分中對應于-42dB的衰減的頻率之間的差。從圖11中可以看出，通過增加第一級串聯臂共振器的電極指周期可以改進形狀因數。因此發現，通過增加第一級串聯臂共振器的電極指周期，可以同時改善擊穿功率和形狀因數。
并且，為了進行比較，圖13表示通過改變(電極指寬度)/(電極指周期)比值為0.25的SAW濾波器的第一級的串聯臂共振器S1的電極指周期，所觀察到的形狀因數的變化。當電極指周期增加時，形狀因數逐漸變差。從上述結果可以看出，由于第一級的串聯臂共振器S1的電極指周期的增加而實現的形狀因數和擊穿功率的同時改善，是有任何串聯臂共振器滿足(電極指寬度)/(電極指周期)小于0.25的條件的SAW濾波器特有的。即使僅有一個串聯臂共振器具有小于0.25的(電極指寬度)/(電極指周期)比值，也可以實現對形狀因數和擊穿功率的同時改善。這是因為即使當只有一個串聯臂共振器具有低于0.25的(電極指寬度)/(電極指周期)比值，也可以獲得提高的通帶高頻端部分。
應當注意，從圖9中可知，當(電極指寬度)/(電極指周期)的比值等于或小于0.225時，通帶高頻端部分的提高變得更加顯著。由于電極指寬度太窄將使激發效率大為變差，所以(電極指寬度)/(電極指周期)的比值的下限優選等于或大于0.075。
現在將說明電極指周期的更優選的范圍。通常，當電極指寬度窄時，生產率低并且成品率不高。這將利用以下的例子詳細地說明。蜂窩電話采用通帶在2GHz附近的天線雙工器。該雙工器的叉指式換能器具有大約2μm的電極指周期。當不算昂貴的i-線步進控制器(i-linestepper)用于以適當的成品率形成電極指圖案時，電極指寬度的下限大約等于0.3μm。因此，從生產率的角度講，優選的(電極指寬度)/(電極指周期)的比值的下限被設置為0.15。當(電極指寬度)/(電極指周期)的比值范圍在0.15(15％)到0.225(22.5％)時，可以在保證生產率的同時，同時改善形狀因數和擊穿功率。
如上所述，通過在具有升高的通帶高頻端部分的任何串聯臂共振器中將所述比值設置在上述范圍內，可以同時改善形狀因數和擊穿功率。
(第四個實施例)
本發明的第四個實施例對應于用來提高通帶的高頻端部分的前述本發明第六個方案。
為了提高通帶的高頻端部分，本發明第六個方案設定，任何串聯臂共振器中的形成叉指式換能器的電極指的非交叉或非重疊部分的長度為電極指周期的1.0-4.5倍，并且在非重疊部分中設置虛電極。本發明人通過改變串聯臂共振器中指不重疊部分的長度，制備了具有圖1A所示的SAW梯形結構的SAW濾波器。然后，驗證這些SAW濾波器的通帶特性。應當理解，如圖14中所示，叉指式換能器的指不重疊部分的長度被定義為a+b。長度a對應于第一梳形電極21的各個指的端部和第二梳形電極22的一個矩形基部(匯流條)。同樣地，長度b對應于第二梳形電極22的各個指的端部和第一梳形電極21的矩形基部(匯流條(bus bar))。以下，指的不重疊部分由附圖標記24標出。
在本發明人的試驗中，指不重疊部分24的長度a+b被設置成等于電極指周期的2.5倍。另外，指不重疊部分24設有虛電極23，該虛電極23具有與電極指周期相等的長度。虛電極23從梳形電極21和22的基部向相應的指的端部延伸，并且與SAW的激勵無關。
圖15表示采用上述各叉指式換能器的SAW濾波器的通帶。從圖15中可以看出，通過將指不重疊部分24從電極指周期的0.5倍延長到2.5倍并且設置虛電極23，可以提高通帶的高頻端部分。圖16表示通過改變梯形SAW濾波器的第一級的串聯臂共振器S1的電極指周期而產生的形狀因數的改變的結果，所述串聯臂共振器S1中，指不重疊部分的長度被設置為電極指周期的2.5倍。在這種情況下，形狀因數被定義為高頻側過渡部分中對應于-3dB的衰減的頻率和同一過渡部分中對應于-42dB的衰減的頻率之間的差。從圖16可以看出，通過延長第一級的串聯臂共振器S1的電極指周期，改善了通帶的形狀因數。當采用具有提高了的通帶高頻端部分的SAW濾波器時，通過延長第一級的串聯臂S1的電極指周期，可以同時改善形狀因數和擊穿功率。
現在說明指不重疊部分24的長度的可能范圍。本發明人制備了具有圖18所示結構的SAW濾波器，并改變指不重疊部分24的長度。然后，驗證這些SAW濾波器的通帶特性。與SAW的激勵無關的虛電極23被設置在指不重疊部分中。驗證的結果表示在圖19中。可以看出，具有長度等于電極指周期的1.0倍的指不重疊部分24的SAW濾波器的通帶的高頻端部分比具有長度等于電極指周期的0.5倍的指不重疊部分24的SAW濾波器的通帶的高頻端部分大為提高。而且，當指不重疊部分24的長度為電極指周期的1.5倍或更大時，通帶特性沒有明顯的改善。優選地，指不重疊部分24的長度上限為電極指周期的4.5倍。這是因為，如果指不重疊部分24的長度超過4.5倍，則SAW激發效率變差，并且介入損耗將增加。進而，芯片上的叉指式換能器所占的面積將增加，這將妨礙SAW濾波器的尺寸的小型化。
(第一個例子)本發明的SAW濾波器的第一個例子采用LiTaO342°Y切割X生長基片，其上以圖1A和1B所示的梯形形式設置有四個串聯臂共振器S1-S4和兩個并聯臂共振器P1和P2。SAW濾波器的通帶為1.9GHz頻帶。串聯臂共振器S2、S3和S4的電極指周期λs2、λs3和λs4等于2.09μm(λs2＝λs3＝λs4＝2.09μm)。并聯臂共振器P1和P2的電極指周期λp1和λp2等于2.16μm(λp1＝λp2＝2.16μm)。串聯臂共振器S1具有2.09μm(例子A)、2.095μm(例子B)和2.100μm(例子C)的電極指周期λs1。在例子A、B和C中，串聯臂共振器S1的電極指周期λs1對串聯臂共振器S2、S3和S4的電極指周期的平均值的變化比例優選分別為0％、0.24％和0.48％。例子A、B和C的(電極指寬度)/(電極指周期)比值都等于0.25。例子A、B和C中的所有串聯臂共振器S1-S4的開口長度(aperture length)均為35μm并且指對的數目為150。電極由Al-0.5wt％Cu(150nm)/Ti(20nm)制成。為了驗證所述例子的擊穿功率，在85℃的環境溫度下對-3dB通帶的高頻端部施加功率。擊穿功率定義為在從0.8W的初始功率開始每五分鐘提高0.1W功率而使特性剛要變差之前所施加的功率。用于確定特性變差的臨界點為這樣的事件-3dB通帶帶寬減少到初始帶寬的95％或更低。驗證結果表明，例子A、B和C具有1.0W、1.2W和1.4W的擊穿功率。這表明，擊穿功率可以通過延長第一級的串聯臂共振器S1的電極指周期λs1而得到增強。
(第二個例子)本發明的SAW濾波器的第二個例子采用一個LiTaO342°Y切割X生長基片，其上如圖1A和1B所示以梯形形式設置有四個串聯臂共振器S1-S4和兩個并聯臂共振器P1和P2。SAW濾波器的通帶為1.9GHz頻帶。所有串聯臂共振器S1-S4的(電極指寬度)/(電極指周期)的比值等于0.175。所有并聯臂共振器P1和P2的(電極指寬度)/(電極指周期)的比值等于0.25。串聯臂共振器S2、S3和S4的電極指周期λs2、λs3、λs4等于2.12μm(λs2＝λs3＝λs4＝2.12μm)。并聯臂共振器P1和P2的電極指周期λp1和λp2等于2.16μm(λp1＝λp2＝2.16μm)。串聯臂共振器S1具有2.12μm(例子D)、2.125μm(例子E)和2.13μm(例子F)的電極指周期。在例子E、F和G中，串聯臂共振器S1的電極指周期λs1相對于串聯臂共振器S2、S3和S4的電極指周期的平均值的變化比例分別為0％、0.24％和0.47％。所有串聯臂共振器S1-S4的開口長度為50μm并且指對的數目為150。電極由Al-1wt％Cu(130nm)/Ti(40nm)制成。為了驗證所述例子的擊穿功率，在85℃的環境溫度下對-3dB通帶的高頻端施加功率。擊穿功率被定義為從0.8W的初始功率開始，每五分鐘提高0.1W功率而使得特性就要變差之前所施加的功率。用于確定特性變差的臨界點為這樣的事件-3dB通帶帶寬降到初始帶寬的95％或更低。驗證結果表明，例子D、E和F具有1.1W、1.8W和2.0W的擊穿功率。這表明，擊穿功率可以通過延長第一級串聯臂共振器S1的電極指周期λs1而得到增強。另外，三個例子的形狀因數(在高頻過渡部分中對應于-3dB的頻率和其中對應于-42dB的頻率之間的差)分別為17.2MHz、16.8MHz和16.5MHz。這表示形狀因數可以通過延長第一級串聯臂共振器S1的電極指周期λs1而得到改善。結果，通過延長第一級串聯臂共振器S1的電極指周期λs1可以同時改善形狀因數和擊穿功率。
(第三個例子)本發明的SAW濾波器的第三個例子采用LiTaO342°Y切割X生長基片，其上如圖1A和1B所示以梯形形式設置有四個串聯臂共振器S1-S4和兩個并聯臂共振器P1和P2。SAW濾波器的通帶為1.9GHz頻帶。所有串聯臂共振器S1-S4的(電極指寬度)/(電極指周期)的比值等于0.20。所有并聯臂共振器P1和P2的(電極指寬度)/(電極指周期)的比值等于0.25。所有串聯臂共振器S1-S4的指不重疊部分被設置為電極指周期的2.5倍。長度與電極指周期長度相同的虛電極23(圖14)設置在指不重疊部分中。串聯臂共振器S2、S3和S4的電極指周期λs2、λs3、λs4等于2.12μm(λs2＝λs3＝λs4＝2.12μm)。并聯臂共振器P1和P2的電極指周期λp1、λp2等于2.16μm(λp1＝λp2＝2.16μm)。串聯臂共振器S1具有2.12μm(例子G)、2.122μm(例子H)和2.125μm(例子I)的電極指周期λs1。在例子G、H和I中，串聯臂共振器S1的電極指周期λs1相對于串聯臂共振器S2、S3和S4的電極指周期的平均值的變化比例分別為0％、0.094％和0.24％。所有串聯臂共振器S1-S4的開口長度均為40μm，并且指對的數目為150。電極由Al-0.5wt％Cu(130nm)/Ti(40nm)。為了驗證這些例子的擊穿功率，在85℃的環境溫度下對-3dB通帶的高頻端施加功率。擊穿功率被定義為從0.8W的初始功率開始每5分鐘將功率提高0.1W而使特性就要變差之前所施加的功率。用于確定特性變差的臨界點為這樣的事件-3dB通帶帶寬降到初始帶寬的95％或更低。驗證結果顯示，例子G、H和I具有1.1W、1.4W和1.8W的擊穿功率。這表明，擊穿功率可以通過延長第一級的串聯臂共振器的電極指周期λs1而得到增強。另外，三個例子的形狀因數(高頻過渡部分中對應于-3dB的頻率和其中對應于-42dB的頻率之間的差)分別為16.1MHz、15.6MHz和15.3MHz。這表明，形狀因數可以通過延長第一級串聯臂共振器S1的電極指周期λs1而得到改善。這表明，擊穿功率和形狀因數均可以通過延長第一級串聯臂共振器S1的電極指周期λs1而得到改善。
(例子4)本發明的SAW濾波器的第三個例子采用LiTaO342°Y切割X生長基片，其上如圖17所示以梯形形式設置有四個串聯臂共振器S1-S4和四個并聯臂共振器P1-P4。SAW濾波器的通帶為1.9GHz頻帶。所有串聯臂共振器S1-S4的(電極指寬度)/(電極指周期)的比值等于0.25。所有并聯臂共振器P1-P4的(電極指寬度)/(電極指周期)的比值等于0.25。串聯臂共振器S1-S4的電極指周期λs1、λs2、λs3和λs4等于2.04μm(λs1＝λs2＝λs3＝λs4＝2.04μm)。并聯臂共振器P2-P4的電極指周期λp2、λp3、λp4等于2.04μm(λp2＝λp3＝λp4＝2.04μm)。并聯臂共振器P1具有2.04μm(例子J)、2.035μm(例子K)和2.03μm(例子L)的電極指周期λp1。在例子J、K和L中，并聯臂共振器P1的電極指周期λp1相對于并聯臂共振器P2、P3和P4的電極指周期的平均值的變化比例分別為0％、0.25％和0.49％。所有串聯臂共振器S1-S4的開口長度為30μm并且指對的數目為130。所有并聯臂共振器P1-P4的開口長度為40μm并且指對的數目為60。電極由Al-0.5wt％Cu(150nm)/Ti(20nm)制成。為了驗證所述例子的擊穿功率，在85℃的環境溫度下對-3dB通帶的高頻端(大約1930MHz)施加功率。擊穿功率被定義為在從0.8W的初始功率開始每五分鐘提高0.1W的功率而使得特性就要變差之前所施加的功率。用于確定特性變差的臨界點為這樣的事件-3dB通帶帶寬降到初始帶寬的95％或更低。驗證結果表明，例子J、K和L具有1.2W、1.4W和1.6W的擊穿功率。這表明，擊穿功率可以通過縮短第一級并聯臂共振器P1的電極指周期λp1而得到增強。
(第五個實施例)現在，作為本發明的第五個實施例，將說明上述SAW濾波器的一個應用。
圖20是具有本發明的SAW濾波器的一個雙工器的框圖。圖20所示的雙工器是一個天線雙工器，其通過一個公共輸入端子T0連接到一個天線部分上。天線雙工器具有一個接收濾波器Rx(F1)和一個發射濾波器Tx(F2)，它們通過一個公共輸入端T0連接到天線部分上。發射濾波器Tx需要具有比接收濾波器Rx高的擊穿功率，并且因此采用本發明的上述SAW濾波器來實現。當然，接收濾波器Rx可以由本發明的SAW濾波器形成。例如，應當考慮到有可能從發射濾波器Tx向接收濾波器Rx的低頻側抑制區(suppression range)漏電時，優選采用由具有提高了的擊穿功率的本發明的SAW濾波器形成接收濾波器Rx。
圖21示意性地表示圖20中所示的雙工器的頻率特性。與發射濾波器Tx的通帶(具有中心頻率f2(＜f1))相比，接收濾波器Rx的通帶(具有中心頻率f1)位于高頻側。應當注意，圖21僅表示天線雙工器的接收濾波器Rx和發射濾波器Tx之間的頻率關系，其實際通帶特性已經在前面描述過了。
圖20中表示的天線雙工器可以改變，從而一個特征阻抗匹配電路可以被置于天線部分和濾波器Tx和Rx中的一個之間，或者被置于天線部分和兩個濾波器Tx和Rx之間。
根據本發明的第五個實施例，可以提供具有提高了的擊穿功率的天線雙工器。當采用根據本發明的第三或第四個實施例的SAW濾波器時，可以提供同時具有優良擊穿功率和優良形狀因數的天線雙工器和濾波器。這些天線雙工器和濾波器可以用于具有高于1GHz且位于1.8-2GHz頻帶中的通帶，并且需要形狀因數得以改善的濾波器通帶特性的應用中。
發射濾波器Tx和接收濾波器Rx可以形成于獨立的基片(由壓電材料制成)上，或者可以形成于一個單一的芯片上。
本發明不限于所公開的特定的實施例，在不脫離本發明范圍的情況下可以構成其它實施例和變形。例如，呈梯形形式的串聯臂共振器的數目和并聯臂共振器的數目不限于前述數目，可以采用任意數目的串聯臂共振器和任意數目的并聯臂共振器。也可以采用任意數目的級數。本發明的SAW元件不限于前述LiTaO3Y切割X生長基片，也可以采用其它壓電元件，例如LiNbO3、Li4B2O7和PZT，在其上形成叉指式換能器。
根據本發明，提供一種具有提高了的擊穿功率的SAW元件，具有提高了的擊穿功率和形狀因數的SAW元件，采用這些SAW元件中的任何一種的發射濾波器和雙工器。特別是，通過采用本發明的SAW元件，可以提供具有超過1GHz的通帶的非常可靠的濾波器和雙工器。
權利要求
1.一種表面聲波元件，該表面聲波元件包括呈梯形布置在一個壓電基片上的表面聲波(SAW)共振器，從該表面聲波元件的輸入側觀察的一個第一級的串聯臂共振器的共振頻率fs1和所有剩余串聯臂SAW共振器的平均共振頻率fsav滿足1.00fsav＞fs1≥0.99fsav。
2.如權利要求1所述的表面聲波元件，其中，第一級的串聯臂共振器的叉指式換能器中的(電極指寬度)/(電極指周期)比值大于其余所有串聯臂SAW共振器中的(電極指寬度)/(電極指周期)平均比值。
3.如權利要求1所述的表面聲波元件，其中，第一級的串聯臂共振器的叉指式換能器的電極指周期大于其余所有串聯臂SAW共振器的平均電極指周期。
4.如權利要求1所述的表面聲波元件，其中，至少一個串聯臂共振器的叉指式共振器的電極指寬度等于或大于所述至少一個串聯臂共振器的電極指周期的7.5％且小于其25％。
5.如權利要求1所述的表面聲波元件，其中，至少一個串聯臂共振器的叉指式共振器的電極指寬度等于或大于所述至少一個串聯臂共振器的電極指周期的15％且小于其22.5％。
6.如權利要求1所述的表面聲波元件，其中，至少一個所述串聯臂共振器的叉指式共振器具有長度等于電極指周期的1.0-4.5倍的指不重疊部分，在不重疊部分中設置有與SAW的激勵無關的虛電極。
7.如權利要求1所述的表面聲波元件，其中，該表面聲波元件是一個發射濾波器。
8.如權利要求1所述的表面聲波元件，其中，該表面聲波元件是一個設置在雙工器中的發射濾波器。
9.一種表面波元件，該表面聲波元件包括呈梯形布置在一個壓電基片上的表面聲波(SAW)共振器，串聯臂共振器的叉指式換能器中的(電極指寬度)/(電極指周期)比值相互基本相等，從表面聲波元件的輸入側觀察的第一級的串聯臂共振器的電極指周期λs1和其余所有串聯臂SAW共振器的平均電極指周期λsav滿足1.01λsav≥λs1＞1.00λsav。
10.如權利要求9所述的表面聲波元件，其中，至少一個串聯臂共振器的叉指式換能器的電極指寬度等于或大于所述至少一個串聯臂共振器的電極指周期的7.5％且小于其25％。
11.如權利要求9所述的表面聲波元件，其中，至少一個串聯臂共振器的叉指式共振器的電極指寬度等于或大于所述至少一個串聯臂共振器的電極指周期的15％且小于其22.5％。
12.如權利要求9所述的表面聲波元件，其中，至少一個所述串聯臂共振器的叉指式共振器具有長度等于電極指周期的1.0-4.5倍的指不重疊部分，在不重疊部分中設置有與SAW的激勵無關的虛電極。
13.如權利要求9所述的表面聲波元件，其中，所述表面聲波元件為發射濾波器。
14.如權利要求9所述的表面聲波元件，其中，所述表面聲波元件為設置在一個雙工器中的發射濾波器。
15.一種表面聲波元件，該表面聲波元件包括呈梯形布置在一個壓電基片上的表面聲波(SAW)共振器，從表面聲波元件的輸入側觀察的第一級的并聯臂共振器的共振頻率fp1和其余所有并聯臂SAW共振器的平均共振頻率fpav滿足1.01fpav≥fp1＞1.00fpav。
16.如權利要求15所述的表面聲波元件，其中，第一級的并聯臂共振器的叉指式換能器中的(電極指寬度)/(電極指周期)比值小于其余所有并聯臂SAW共振器中的(電極指寬度)/(電極指周期)平均比值。
17.如權利要求15所述的表面聲波元件，其中，第一級的并聯臂共振器的叉指式換能器的電極指周期小于其余所有并聯臂SAW共振器的平均電極指周期。
18.如權利要求15所述的表面聲波元件，其中，所述表面聲波元件為發射濾波器。
19.如權利要求15所述的表面聲波元件，其中，所述表面聲波元件為設置在一個雙工器中的發射濾波器。
20.一種表面聲波元件，該表面聲波元件包括呈梯形布置在一個壓電基片上的表面聲波(SAW)共振器，并聯臂共振器的叉指式換能器中的(電極指寬度)/(電極指周期)比值相互基本相等，從表面聲波元件的輸入側觀察的第一級的并聯臂共振器的電極指周期λp1和其余所有并聯臂SAW共振器的平均電極指周期λpav滿足1.00λpav＞λp1≥0.99λpav。
21.如權利要求20所述的表面聲波元件，其中，該表面聲波元件為一個發射濾波器。
22.如權利要求20所述的表面聲波元件，其中，所述表面聲波元件是一個設置在一個雙工器中的發射濾波器。
全文摘要
一種表面聲波元件，該表面聲波元件包括呈梯形布置在一個壓電基片上的表面聲波(SAW)共振器，從表面聲波元件的輸入側觀察的第一級的串聯臂共振器的共振頻率f
文檔編號H03H9/145GK1424820SQ02156069
公開日2003年6月18日 申請日期2002年12月13日 優先權日2001年12月14日
發明者堤潤, 今井雅彥, 井上將吾, 松田隆志 申請人:富士通媒體器件株式會社, 富士通株式會社