SAWフィルタをVIFフィルタに応用するためにアポダイズ法を用いたIDT(interdigital transducer)の設計が検討されていたが、挿入損失が大きく実用化が進まなかった。そこで挿入損失の低減を最優先し、正規型IDTを基本とする設計を検討した。

　正規型IDTにはTTE(triple transit echo)による帯域内リップル及び帯域外サイドローブのレベルが大きいという欠点があり、この両者の低減を中心に検討した。TTEについては図1に示す階段型IDTを取り上げ、従来、IDTの電極歯からの反射しか考慮されていなかったのを、ベクトル演算を用いて負荷インピーダンスを介した反射まで含めて解析することに成功した。その結果、電気機械結合係数の大きい基板を用い、低い負荷インピーダンスで終端する場合でも階段型IDTを用いてTTEを十分に低減させる設計を可能にした。例えば、IDTの電極歯対数が15および10の場合、段数nを2とすると、₁²:₂²＝0.878:0.122、かつ₁-₂＝0.178(rad)の時に10⁸のオーダーの十分低いTTEレベルが得られた。

図1 階段型IDTで構成されたSAWフィルタ

　サイドローブの低減についてはアポダイズ法に代わる重み付け法として、階段型IDTと両立しうるwithdrawal法を採用し、両者を合体させた。しかし、カラーTV用VIFフィルタに適合する電極歯対数は15、10であり、解析的関数に近似して重み付けを行うには対数が少なすぎる。そこで、高精度な周波数特性を設計できる、等価回路によるコンピュータシミュレーションを検討した。

　等価回路として当時はSmithによるin-line model、crossed-field modelの2種類の等価回路が知られていたが、近似が粗いうえに、電極歯のある部分とない部分とで音響インピーダンスが異なる等の2次効果が考慮されておらず、高精度な設計には使えなかった。そこで、in-line modelとcrossed-field modelを折衷して実験的にパラメータを合わせ込むというMilsomの提案した等価回路に、さらに音響インピーダンスの不整合を取り込み、新たな等価回路を作成した。この等価回路を用いることによりシミュレーションはレベルに関し1.1dB以内、周波数に関し0.1%以内と設計に十分な精度が得られた。

　階段型IDTとwithdrawal法を組み合わせ、等価回路を用いたコンピュータシミュレーションによる設計により、Y-Z LiNbO₃を基板に用いてカラーTV用VIFフィルタを設計し、実際に試作した。試作フィルタの特性を図2に示す。挿入損失11dBはカラーTV用VIFフィルタとして当時世界最少であった。周波数特性もVIFフィルタに要求される仕様をほぼ満足し、実際に商品としてカラーTVに初めて搭載され、良好な特性を得た。このフィルタは、それ以降、SAWフィルタがTV用VIFフィルタのみならずVTR用、あるいは、携帯電話用と広く実用される嚆矢となった。

図2 試作フィルタの周波数特性

　BSコンバータの局部発振器として誘電体共振器で安定化したMIC発振器は構成が単純であるが、十分な安定度が得られていなかった。それは、当時研究されていた発振器の構成のほとんどは導波管に結合した空胴共振器からのアナロジーで設計されていたためで、誘電体共振器とマイクロストリップラインの結合は解析が不十分で、また、発振器の構成も誘電体共振器の特徴を生かしていなかった。そこで、これらの点について検討し、発振器の設計、試作、新しい誘電体共振器の設計試作を行い、それまでにない非常に高安定な発振器の試作に成功した。

　誘電体共振器とマイクロストリップラインの結合については、新たに分布相互インダクタンスという概念を導入して解析を行った。誘電体共振器の共振に伴う磁束はマイクロストリップラインに沿って分布的に鎖交しており、そのため分布的に起電力が生じるという考えである。この概念に基づいて解析を行い結果として図3のような等価回路が得られた。ここで、は結合した状態での共振周波数、無負荷Qである。は理想トランスの巻線比で、結合の大きさを表す。²は分布相互インダクタンスの平均値で表され、インピーダンスの次元を代表している。²と結合係数とは

　の関係がある。ここで、₀は結合係数、Z₀はマイクロストリップラインの特性インピーダンスである。

図4 マイクロストリップラインに結合した誘電体共振器の等価回路

　誘電体共振器の無負荷Qは2000程度であるが、マイクロストリップラインと接するように配置すると結合係数₀は10程度の大きな値が得られる。そこで、従来、発振器の出力側マイクロストリップラインに誘電体共振器を結合させていたのを、入力側マイクロストリップラインと結合させ誘電体共振器からの反射を利用して周波数を安定化する新たな構成を提案した。この構成について解析を行い、従来の構成に比べ、発振出力の減少が少ない、バイアス変化に伴う発振周波数のヒステリシスが抑圧されるという非常に有利な点のあることを示した。また、発振周波数の温度変動は、誘電体共振器の無負荷Qが低いために誘電体共振器の共振周波数の温度変動だけでなく能動素子のパラメータの温度変動にも大きく影響され、能動素子であるGaAs FETの温度変動を補償する温度変動を持つ誘電体共振器が必要であることを示した。検討の結果、斜方晶構造と立方晶構造を持つ2種類のセラミックを2層積層した誘電体共振器がGaAs FETの温度特性を補償することが分かった。2層誘電体共振器で安定化した発振器の発振周波数の温度変化を図5に示す。±85kHzの極めて高安定な特性が得られている。ここで検討された発振器は試作BSコンバータに搭載され実験衛星「ゆり」からの放送電波の受信実験に採用された。

図5 2層構造の誘電体共振器を用いた発振器の発信周波数の温度変化実線:2層構造誘電体共振器 破線:単層構造誘電体共振器