JP2002009514A - 高周波フィルタ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 回路基板に一括形成可能な構造により平面回
路としての優れた量産性を有し、しかも低損失な共振器
により構成した、挿入損失が低くかつ量産性に優れた高
周波フィルタを提供する。 【解決手段】 誘電体基板１の下面に下面接地導体層４
が形成され、上面に中心周波数の高周波信号の信号波長
の略４分の１の長さの上面接地導体層３が形成されると
ともに、所定の配列で下面および上面接地導体層４・３
間を電気的に接続する２列の貫通導体群５が形成されて
成る誘電体導波管線路部と、誘電体基板１に下面接地導
体層４に対向させ、かつ誘電体導波管線路部の開口のそ
れぞれに対向させて形成された、この開口の幅に対応す
る幅の終端部を有する一対の高周波信号入出力用の信号
導体２とを具備する高周波フィルタである。誘電体導波
管線路部による共振器と信号導体２とを効率よく結合で
き、低挿入損失で量産性にも優れる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は通信機器やセンサ等
の無線部に使用される高周波フィルタに関し、特に回路
基板に一体形成可能で、平面回路としての量産性に優れ
た構造により低コスト化を実現した高周波フィルタに関
する。

【０００２】

【従来の技術】従来、マイクロ波・ミリ波帯において使
用される高周波フィルタとしては、空洞共振器もしくは
誘電体共振器を用いたものや、回路基板上に形成された
平面回路系共振器を組み合わせたものが用いられてい
た。

【０００３】このうち空洞共振器を用いるものは、金属
から成る中空の筐体における共振を利用するものである
ことから、筐体内壁に銀等の低損失な導体を用いること
により、共振器自体の損失を低く、すなわちＱ値を高く
することが可能であり、挿入損失の低いフィルタを実現
することができる。

【０００４】また、誘電体共振器を用いるものは、低損
失かつ高誘電率の誘電体材料を直方体状や円筒状に加工
することにより構成されることから、誘電体内部におけ
る電磁波の物理的波長が圧縮される効果から共振器の小
型化が可能になり、また回路基板上に配置することによ
り、外部回路が平面回路である場合にも対応することが
可能となる。

【０００５】また平面回路系共振器を用いた高周波フィ
ルタでは、セラミック材料から成る基板等への厚膜印刷
による同時焼成や、プリント回路基板へのエッチング
等、量産性の高い製造方法による製作が可能であり、回
路素子、ひいては機器全体の小型化・低価格化を実現す
ることができる。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前記の
ような従来の高周波フィルタにおいては、以下のような
問題点がある。

【０００７】空洞共振器を用いた高周波フィルタの場合
は、空洞共振器自体に共振波長に応じた空洞寸法が必要
とされるために、小型化が困難であるという問題点があ
る。また空洞共振器と外部回路の接続において、共振し
ている電磁界モードとの結合を効率よく実現するために
は導波管や同軸線路を用いなければならないが、これら
の伝送路を用いたものは、機器全体の大型化が避けられ
ないという問題点があり、また量産性が低いために低価
格化が困難であるという問題点もあった。

【０００８】誘電体共振器を用いた場合は、平面回路に
共振器を配置することにより外部回路との電磁界の結合
を実現することができるが、平面回路基板作製の後工程
において共振器を配置・実装する精度によって結合度の
ばらつきが生じてしまうという問題点があり、高精度の
実装を行なう必要がある点が量産性を低下させる要因と
なっているという問題点もあった。また、ミリ波帯のよ
うな超高周波においては、共振器の物理寸法が小さくな
ってしまうために、後工程における良品率を向上させる
ことが困難であるという問題もあった。

【０００９】また、平面回路系共振器を用いた場合は、
共振器を構成する線路導体の形状の不連続部における電
磁波の放射の存在や、周波数が高くなるにつれて配線導
体の導体損が優位になってしまうことから、空洞共振器
等の立体回路系共振器を用いた場合に比べて損失が大き
くなってしまうという問題点があった。

【００１０】本発明は上記従来技術における問題点に鑑
みてなされたものであり、その目的は、回路基板に一括
形成可能な構造により平面回路としての優れた量産性を
有し、しかも低損失な共振器により構成した、挿入損失
が低くかつ量産性に優れた高周波フィルタを提供するこ
とにある。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明の高周波フィルタ
は、誘電体基板の下面に下面接地導体層が形成され、上
面に中心周波数の高周波信号の信号波長の略４分の１の
長さの上面接地導体層が形成されるとともに、高周波信
号の伝送方向に所定の間隔で、かつ前記伝送方向と直交
する方向に所定の幅で前記下面接地導体層および前記上
面接地導体層間を電気的に接続する２列の貫通導体群が
形成されて成る、前記下面接地導体層、前記上面接地導
体層および前記貫通導体群で囲まれた伝送領域によって
前記高周波信号を伝送する誘電体導波管線路部と、前記
誘電体基板に前記下面接地導体層に対向させ、かつ前記
誘電体導波管線路部の開口のそれぞれに対向させて形成
された、該開口の幅に対応する幅の終端部を有する一対
の高周波信号入出力用の信号導体とを具備することを特
徴とするものである。

【００１２】

【発明の実施の形態】本発明の高周波フィルタによれ
ば、誘電体基板に形成された略４分の１波長の長さの誘
電体導波管線路部と、この誘電体導波管線路部の開口の
それぞれに対向させて形成されたマイクロストリップ線
路またはストリップ線路構造の高周波信号入出力用の信
号導体とを具備する構造としたことにより、誘電体基板
内部に両端が開放された、両開放端間の距離が中心周波
数の高周波信号の信号波長（管内波長）の約４分の１に
対応した導波管共振器が存在している状態に相当するも
のとなり、この導波管構造にその共振器長に対応した共
振周波数で共振が生じる。このとき誘電体導波管線路部
の内部における電磁界分布の主モードは、高周波信号の
伝送方向をｚ軸とし、このｚ軸に垂直な面において、上
面もしくは下面接地導体層に平行な方向と垂直な方向を
それぞれｘ軸とｙ軸とみた場合に、電界はＴＥ101モー
ドに対応した分布となり、磁界はＴＥ101モードと類似
した分布であるが、この誘電体導波管線路部の内部で磁
束が閉じる形態ではなく、２列の貫通導体群により構成
される導波管側壁に相当する部位をそれぞれ取り巻きつ
つ閉じる形態として分布する。この誘電体導波管線路部
内における側壁近傍の磁界の向きは、ＴＥ101モードの
磁界に対応した向きとなる。したがって、この誘電体導
波管線路部の開口に相当する部位における電界の分布は
ＴＥ10モードとみなせることから、誘電体基板に対して
垂直に分布しており、高周波信号入出力用の信号導体の
開放終端部における電界の向きに一致する。しかも、こ
れら信号導体の開放終端部においては、その幅を誘電体
導波管線路部の開口の幅に対応するように広げているた
めに、線路状の信号導体に対して終端部が二分岐した線
路構造をとって、そのそれぞれの終端が開放となってい
る構造ともみなせることから、磁界はそれぞれの終端を
見る方向において同一方向に線路方向を取り巻くように
分布することとなる。すなわちこの誘電体導波管線路部
の開口に相当する部位を見る方向においては、それぞれ
の分岐線路における磁界の向きは逆向きとなることか
ら、この開口相当部位の両側面における磁界の向きに一
致することとなる。その結果、終端部を有するマイクロ
ストリップ線路状あるいはストリップ線路状の信号導体
と、約４分の１波長長さの誘電体導波管線路部による共
振器との結合を効率よく行なうことが可能となり、低損
失な立体回路系の共振器に類似した共振構造を有する高
周波フィルタを、平面回路内に一括形成可能な構造で組
み込むことが可能となる。これにより、挿入損失が低
く、平面回路としての量産性に優れた構造を有する、低
コストで製作できる高周波フィルタを提供することがで
きる。

【００１３】そして、本発明の高周波フィルタは、該誘
電体導波管線路部による共振器の共振周波数を中心周波
数とした帯域通過特性を有するフィルタとなる。

【００１４】以下、図面に基づいて本発明を詳細に説明
する。

【００１５】図１は本発明の高周波フィルタの例を示す
斜視図、図２はその上面図、図３はその要部拡大斜視図
である。これらの図において、１は誘電体基板、２は誘
電体基板１の上面に形成された高周波信号入出力用の信
号導体、３は誘電体基板１の上面に中心周波数の高周波
信号の信号波長の略４分の１の長さで形成された上面接
地導体層、４は誘電体基板１の下面のほぼ全面に形成さ
れた下面接地導体層、５は誘電体基板１の内部に形成さ
れた、高周波信号の伝送方向に所定の間隔で、かつ伝送
方向と直交する方向に所定の幅で下面接地導体層４およ
び上面接地導体層３間を電気的に接続する２列の貫通導
体群である。

【００１６】上面接地導体層３および下面接地導体層４
は所定の厚みの誘電体基板１を挟持する位置に一対の導
体層として、誘電体基板１の少なくとも導波管線路形成
位置を挟む上下面に形成されている。また、上面接地導
体層３・下面接地導体層４間には上面接地導体層３と下
面接地導体層４とを電気的に接続するスルーホール導体
やビアホール導体等の貫通導体が多数設けられ、これら
多数の貫通導体により２列の貫通導体群５を形成してい
る。

【００１７】これら２列の貫通導体群５は、高周波信号
の伝送方向すなわち導波管線路形成方向に所定の繰り返
し間隔で、かつ伝送方向と直交する方向に所定の一定の
間隔（幅）をもって形成されている。これにより、この
誘電体導波管線路部における電気的な側壁を形成してい
る。

【００１８】ここで、誘電体基板１の厚みすなわち一対
の上面接地導体層３・下面接地導体層４間の間隔に対す
る制限は特にないが、シングルモードで用いる場合には
２列の貫通導体群５の幅に対して２分の１以下とするこ
とがよく、これにより誘電体導波管線路部のＨ面に当た
る部分が上面接地導体層３・下面接地導体層４で、Ｅ面
に当たる部分が貫通導体群５でそれぞれ形成される。

【００１９】そして、２列の貫通導体群５の各列におけ
る貫通導体の間隔が、上面接地導体層３の長さである略
４分の１波長より小さい所定の間隔に設定されること
で、貫通導体群５により電気的な壁が形成できる。ここ
では、各列の貫通導体を複数本ずつ設けることで、信号
波長の４分の１未満の間隔で貫通導体を配設することと
なり、電気的な壁が形成できることとなる。

【００２０】また、貫通導体群５の各列を形成する貫通
導体同士を電気的に接続する、上面接地導体層３および
下面接地導体層４と平行に形成された補助導体層を、必
要に応じて適宜設けてもよい。このように一対の上面接
地導体層３・下面接地導体層４と貫通導体群５とで囲ま
れた領域に対してさらに補助導体層を形成することによ
り、誘電体導波管線路部の内部から見るとその側壁は貫
通導体群５と補助導体層とによって細かな格子状にな
り、様々な方向の電磁波が遮蔽される。

【００２１】なお、図１〜図３に示した態様では貫通導
体群５は２列に形成したが、この貫通導体群５を４列あ
るいは６列に配設して、２列の貫通導体群５による疑似
的な導体壁を２重・３重に形成することにより導体壁か
らの電磁波の漏れをより効果的に防止することもでき
る。

【００２２】このような誘電体導波管線路部によれば、
誘電体導波管による伝送線路となるので、誘電体基板１
の比誘電率をε_rとするとその誘電体導波管線路部のサ
イズは通常の導波管の１／√ε_rの大きさになる。従っ
て、誘電体基板１を構成する材料の比誘電率ε_rを大き
いものとするほど誘電体導波管線路部のサイズを小さく
することができて高周波フィルタの小型化を図ることが
でき、高密度に配線が形成される多層配線基板または半
導体素子収納用パッケージあるいは車間レーダの平面回
路に一括形成する場合にも利用可能な大きさの誘電体導
波管線路部とすることができる。

【００２３】なお、貫通導体群５を構成する貫通導体は
前述のように所定の間隔で配設されており、この間隔は
良好な伝送特性を実現するためには一定の繰り返し間隔
とすることが望ましいが、上面接地導体層３の長さであ
る信号波長の４分の１未満の間隔であれば、適宜変化さ
せたりいくつかの値を組み合わせたりしてもよい。

【００２４】誘電体導波管線路部を構成する上面接地導
体層３は、誘電体基板１の上面に形成され、その高周波
信号の伝送方向の長さを高周波フィルタの中心周波数の
高周波信号の略４分の１の長さとされている。これによ
り、誘電体導波管線路部が共振器長が４分の１波長の共
振器として機能するものとなり、この共振器長に対応し
た帯域特性の高周波フィルタを構成することができる。

【００２５】誘電体基板１の下面に形成された下面接地
導体層４は、誘電体導波管線路部の下部接地導体層とし
て機能するとともに高周波信号入出力用の信号導体２に
対する接地導体層としても機能するものであり、少なく
ともこれら誘電体導波管線路部および信号導体２が形成
される領域に対応させて誘電体基板１の下面に広面積に
形成される。

【００２６】高周波信号入出力用の信号導体２は、誘電
体基板１の上面または内部に下面接地導体層４に対向さ
せて形成され、かつ誘電体導波管線路部の開口すなわち
高周波信号の伝送方向の開口端部のそれぞれに対向させ
て一対形成されている。そして、信号導体２が誘電体導
波管線路の開口と対向する部分は、図１〜図３にも示す
ように、誘電体導波管線路の開口の幅に対応する幅の終
端部とされており、これにより、誘電体導波管線路部と
の結合を効率よく行なうことができ、誘電体導波管線路
部から成る共振器への高周波信号の入力およびこの共振
器からの高周波信号の出力の伝送を良好に行なうことが
できる高周波フィルタが構成される。

【００２７】この信号導体２の終端部の幅は、誘電体導
波管線路部の開口の幅と同程度もしくはそれ以下とすれ
ばよく、また、その長さは、信号導体の線路部の幅より
も小さくすればよい。そして、誘電体導波管線路部の開
口との間隔の大小は、共振器と外部回路との結合度の増
減にそれぞれ対応しており、所望のフィルタ特性に適し
た結合度を実現する間隔とすればよい。

【００２８】なお、この信号導体２およびその終端部
は、通常は誘電体基板１の上面にマイクロストリップ線
路構造のものとして形成すればよく、この場合には誘電
体導波管線路部との結合を効率よく行なえるとともに、
形成後に終端部をトリミングすることにより結合特性を
容易に調整することができる点でも好適なものとなる。

【００２９】また、この信号導体２および終端部を誘電
体基板１の内部に形成し、その上面にも接地導体層を形
成することにより、ストリップ線路構造のものとして形
成してもよい。この場合は、信号導体の終端部からの放
射をより抑制することが可能となり、より高い結合度を
実現しうるものとなる。

【００３０】このような本発明の高周波フィルタを構成
する誘電体基板１としては、誘電体として機能し高周波
信号の伝送を妨げることのない特性を有するものであれ
ばとりわけ限定するものではないが、信号導体２や誘電
体導波管線路部を形成する際の精度および製造の容易性
の点からは、誘電体基板１はセラミックスから成ること
が望ましい。

【００３１】このようなセラミックスとしてはこれまで
様々な比誘電率を持つセラミックスが知られているが、
本発明にの高周波フィルタに用いるものとしては常誘電
体であることが望ましい。これは、一般に強誘電体セラ
ミックスは高周波領域では誘電損失が大きく伝送損失が
大きくなるためである。従って、誘電体基板１の比誘電
率ε_rは４〜100程度が適当である。

【００３２】このような誘電体基板１としては、例えば
アルミナセラミックスや窒化アルミニウムセラミックス
・ガラスセラミックス等がある。これらによる誘電体基
板１は、例えばセラミックス原料粉末に適当な有機溶剤
・溶媒を添加混合して泥漿状になすとともに、これを従
来周知のドクターブレード法やカレンダーロール法等を
採用してシート状となすことによって複数枚のセラミッ
クグリーンシートを得て、しかる後、これらセラミック
グリーンシートの各々に適当な打ち抜き加工を施すとと
もにこれらを積層し、アルミナセラミックスの場合は15
00〜1700℃程度、ガラスセラミックスの場合は850〜100
0℃程度、窒化アルミニウムセラミックスの場合は1600
〜1900℃程度の温度で焼成することによって製作され
る。なお、誘電体基板１は誘電体層を複数積層して作製
されるものに限られず、単層の誘電体層からなるもので
あってもよい。

【００３３】また、信号導体２および上面接地導体層３
・下面接地導体層４は、例えば誘電体基板１がアルミナ
セラミックスから成る場合には、タングステン等の金属
粉末に適当なアルミナ・シリカ・マグネシア等の酸化物
や有機溶剤・溶媒等を添加混合してペースト状にしたも
のを用いて厚膜印刷法により少なくとも伝送線路を完全
に覆うようにセラミックグリーンシート上に印刷し、し
かる後、約1600℃の高温で焼成し、厚みが５〜50μｍ程
度となるようにして形成すればよい。なお、金属粉末と
しては、ガラスセラミックスの場合は銅・金・銀が、窒
化アルミニウムセラミックスの場合はタングステン・モ
リブデンが好適である。

【００３４】また、貫通導体群５を構成する貫通導体
は、例えばビアホール導体やスルーホール導体等により
形成すればよい。その断面形状は製作が容易な円形の
他、矩形や菱形等の多角形であってもよい。これら貫通
導体は、例えばセラミックグリーンシートに打ち抜き加
工を施して作製した貫通孔に上面および下面接地導体層
３・４と同様の金属ペーストを埋め込み、しかる後、誘
電体基板１と同時に焼成して形成すればよい。なお、貫
通導体は直径50〜300μｍ程度が適当である。

【００３５】

【実施例】次に、本発明の高周波フィルタについて具体
例を説明する。

【００３６】比誘電率が8.8、厚みが0.2ｍｍのアルミナ
セラミックスからなる誘電体基板１上に、同時焼成によ
り、下面のほぼ全面に下面接地導体層４を、上面に線路
部の幅が0.2ｍｍで、幅が1.5ｍｍ、長さが0.1ｍｍの開
放終端部を有する高周波信号入出力用の信号導体２、お
よびこの信号導体２の終端から0.1ｍｍの間隔をあけ
て、幅が1.5ｍｍ、長さが0.6ｍｍの矩形状の上面接地導
体３を、また上面接地導体３において信号導体２と相対
していない辺に沿って、その辺から0.2ｍｍ内側に断面
中心を有する直径が0.1ｍｍのビア導体を0.2ｍｍの等間
隔で、誘電体基板１を貫通して上面接地導体３と下面接
地導体４とを導通するように配設して２列の貫通導体群
５をそれぞれ形成することにより、本発明の高周波フィ
ルタを作製した。

【００３７】そして、この高周波フィルタのＳパラメー
タをネットワークアナライザにより計測し、挿入損失特
性を求めた。この挿入損失特性の計測結果を図４および
図５に示す。

【００３８】図４および図５はこのようにして作製した
本発明の高周波フィルタの通過特性および阻止特性を示
す線図であり、いずれも横軸は周波数（単位：ＧＨｚ）
を、縦軸はＳパラメータのうちＳ21（単位：ｄＢ）を表
わし、特性曲線はそれぞれの周波数特性を示している。
これらより分かるように、本発明の高周波フィルタは48
ＧＨｚという超高周波帯域においても挿入損失が２ｄＢ
程度となっており、低損失な高周波フィルタである。

【００３９】この結果、本発明の高周波フィルタは平面
回路作製プロセスのみにより誘電体基板に一括形成でき
る構造を有する低損失かつ小形な高周波フィルタである
ことが確認できた。

【００４０】なお、以上はあくまで本発明の実施の形態
の例示であって、本発明はこれらに限定されるものでは
なく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変更や改
良を加えることは何ら差し支えない。例えば、誘電体導
波管線路部による共振器を伝送方向に複数個形成するこ
とにより、多段構成のフィルタとしてもよい。

【００４１】

【発明の効果】以上のように、本発明の高周波フィルタ
によれば、誘電体基板に形成された中心周波数の高周波
信号の信号波長の略４分の１波長の長さの誘電体導波管
線路部と、この誘電体導波管線路部の開口のそれぞれに
対向させて形成された開口の幅に対応する幅の終端部を
有する高周波信号入出力用の信号導体とを具備する構造
としたことから、平面回路で構成された終端部を有する
高周波信号入出力用の信号導体と誘電体導波管線路部に
よる共振器との結合を効率よく行なうことが可能とな
り、空洞共振器を用いた高周波フィルタの場合の小型化
が困難で量産性も低いという問題点や、誘電体共振器を
用いた場合の共振器の結合度のばらつきが生じてしまう
という問題点や、平面回路系共振器を用いた場合の放射
の存在や損失が大きくなってしまうという問題点がな
く、平面回路内に一括形成した高周波信号入出力用の信
号導体と誘電体導波管線路部による共振器との結合を効
率よく行なうことができる、挿入損失が低くしかも量産
性に優れた高周波フィルタとなる。

【００４２】以上のように、本発明によれば、回路基板
に一括形成可能な構造により平面回路としての優れた量
産性を有し、しかも低損失な共振器により構成した、挿
入損失が低くかつ量産性に優れた高周波フィルタを提供
することができた。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の高周波フィルタの実施の形態の一例を
示す斜視図である。

【図２】本発明の高周波フィルタの実施の形態の一例を
示す平面図である。

【図３】本発明の高周波フィルタの実施の形態の一例を
示す要部拡大斜視図である。

【図４】本発明の高周波フィルタにおける挿入損失特性
のうち通過特性を示す線図である。

【図５】本発明の高周波フィルタにおける挿入損失特性
のうち阻止特性を示す線図である。

【符号の説明】

１・・・・・誘電体基板 ２・・・・・高周波信号入出力用の信号導体 ３・・・・・上面接地導体 ４・・・・・下面接地導体 ５・・・・・貫通導体群

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 誘電体基板の下面に下面接地導体層が形
   成され、上面に中心周波数の高周波信号の信号波長の略
   ４分の１の長さの上面接地導体層が形成されるととも
   に、高周波信号の伝送方向に所定の間隔で、かつ前記伝
   送方向と直交する方向に所定の幅で前記下面接地導体層
   および前記上面接地導体層間を電気的に接続する２列の
   貫通導体群が形成されて成る、前記下面接地導体層、前
   記上面接地導体層および前記貫通導体群で囲まれた伝送
   領域によって前記高周波信号を伝送する誘電体導波管線
   路部と、前記誘電体基板に前記下面接地導体層に対向さ
   せ、かつ前記誘電体導波管線路部の開口のそれぞれに対
   向させて形成された、該開口の幅に対応する幅の終端部
   を有する一対の高周波信号入出力用の信号導体とを具備
   することを特徴とする高周波フィルタ。