JP2005012457A - 共振器、フィルタおよび通信装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】ステップインピーダンス化によって小型化するとともにＱｏの高い共振器、それを備えたフィルタおよび通信装置を提供する。
【解決手段】誘電体基板１に、誘導性領域として作用する導体開口部ＡＰａ，ＡＰｂおよび容量性領域として作用する導体開口部ＡＰｃを有する導体膜１０を形成する。一方、導体線路集合体２′からなる多重ステップリング共振素子を基板１５に形成してなる共振素子１００を構成し、この共振素子１００を誘導性領域として作用する導体開口部ＡＰａ，ＡＰｂに実装する。これにより、Ｑｏの高い共振器を構成する。
【選択図】 図５
【解決手段】誘電体基板１に、誘導性領域として作用する導体開口部ＡＰａ，ＡＰｂおよび容量性領域として作用する導体開口部ＡＰｃを有する導体膜１０を形成する。一方、導体線路集合体２′からなる多重ステップリング共振素子を基板１５に形成してなる共振素子１００を構成し、この共振素子１００を誘導性領域として作用する導体開口部ＡＰａ，ＡＰｂに実装する。これにより、Ｑｏの高い共振器を構成する。
【選択図】 図５
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、例えばマイクロ波帯やミリ波帯における無線通信や電磁波の送受信に利用される共振器、フィルタおよび通信装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、スロットラインを用いた共振器において、その小型化のためにスロットラインをステップインピーダンス構造にする設計手法が知られている（例えば非特許文献１、非特許文献２参照）。これは、スロットラインの両端付近の幅を広くし中央を細くして、スロットラインの両端付近のインピーダンスを誘導性、中央部のインピーダンスを容量性とし、スロットラインに沿った方向でインピーダンスをステップ状に変化させることによって、同じ共振周波数を得るのに要するスロットラインの長さを短縮化するものである。
【０００３】
ここで、この従来のステップインピーダンス化したスロット共振器の典型的な例を図１６に示す。図１６の（Ｂ）はスロット共振器を構成した基板の上面図、（Ａ）は（Ｂ）におけるＡ−Ａ部分の断面図である。誘電体基板１の表面には導体開口部ＡＰａ，ＡＰｂ，ＡＰｃを有する導体膜１０を形成している。導体開口部ＡＰａ，ＡＰｂ，ＡＰｃは、それら全体によって１つのダンベル型の導体開口部を形成していて、両端の導体開口部ＡＰａ，ＡＰｂの幅（この例では円形であるので直径ということもできる。）が相対的に大きく、それに対して中央の導体開口部ＡＰｃの幅は狭い。そのため、両端部が誘導性、中央部が容量性をもつ。
【０００４】
図１６（Ａ）の破線はこのスロット共振器の磁力線を概略的に表している。この磁力線によって、この共振器の磁界分布を示している。このようにステップインピーダンス構造のスロット共振器は、両端部の誘導性領域の一方で磁界ベクトルが上向きとなるとき、他方で磁界ベクトルが下向きとなって、全体で磁気双極子のように振る舞う。共振動作により生じる磁界エネルギーの多くは導体開口部ＡＰａ，ＡＰｂによる誘導性領域に集中し、電界エネルギーの多くは導体開口部ＡＰｃによる容量性領域に分布する。このように磁界エネルギーと電界エネルギーの蓄積領域を分離することによって集中定数回路として作用し、スロット共振器の小型化が可能となる。
【０００５】
【非特許文献１】
Ｂｈａｒａｔｈｉ Ｂｈａｔ， Ｓｈｉｂａｎ Ｋ． Ｋｏｕｌ， “ＡＮＡＬＹＳＩＳ， ＤＥＳＩＧＮ ＡＮＤ ＡＰＰＬＩＣＡＴＩＯＮＳ ＯＦ ＦＩＮ ＬＩＮＥＳ”， ｐｐ．３１６−３１７． 発行所ＡＲＴＥＣＨ ＨＯＵＳＥ，ＩＮＣ 発行国Ｕ．Ｓ．Ａ． 発行年１９８７
【非特許文献２】
小西良弘， “マイクロ波回路の基礎と応用”， 総合電子出版社， ｐ．１６９．発行年１９９０（第１版）
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
前記スロット共振器では、同じ共振周波数の共振器を構成する際に、そのステップインピーダンス化によって小型化が可能であるが、共振器の小型化に伴って、導体膜に流れる電流密度が高まるため、導体損失も増大し、無負荷Ｑ（Ｑｏ）の高い共振器が得られないという問題が生じる。
【０００７】
そこで、この発明の目的は、ステップインピーダンス化によって小型化するとともにＱｏの高い共振器、それを備えたフィルタおよび通信装置を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
この発明は、基板に、所定箇所を導体開口部とした導体膜を設けるとともに、導体開口部のうち相対的に開口の広い少なくとも２つの誘導性領域と、相対的に開口の狭い容量性領域とを備え、該容量性領域で誘導性領域同士を接続してなる共振器において、誘導性領域に次の構成からなる共振素子を少なくとも１つ備えたことを特徴としている。
【０００９】
単数または複数の導体線路からなり、容量性領域と誘導性領域とを有する環状の共振単位の、１個または複数個から構成される共振素子であって、導体線路は、その一方の端部が自らの他方の端部もしくは同じ共振単位を構成する他の導体線路の端部と幅方向にまたは厚み方向に近接することによって容量性領域を構成している。
【００１０】
この構造により、共振素子の容量性領域を容量素子として作用させ、各導体線路を両端開放の半波長線路として作用させる。また、導体の縁端部分に生じる縁端効果および導体表面に生じる表皮効果をそれぞれ緩和して導体損失を低減する。
【００１１】
また、この発明は、前記基板を、誘電体層と該誘電体層によって一部が厚み方向に間隙をもって積層された複数の導体層とを備えた構造にし、誘電体層と導体層の積層方向にいずれの導体層も形成されていない領域を誘導性領域とし、相対的に開口の狭い部分に代えて、導体層が誘電体層を介して間隙をもって積層された部分を容量性領域としたことを特徴としている。
【００１２】
このように、誘電体層を介して対向する導体層の部分で容量性領域を構成することによって、限られた面積内に所定容量を生じさせて、インピーダンスのステップ比を高め、小型化を図る。また、同一層内で導体膜に設ける開口の狭い部分で容量性領域を構成する場合に比べて導体膜のパターン形成精度によるバラツキを抑え、共振周波数の精度を高める。
【００１３】
また、この発明は、前記誘導性領域と前記容量性領域とをそれぞれ複数個設けるとともに、誘導性領域同士を容量性領域で接続してなる組を複数組設けたことを特徴としている。
この構造によって、多数の共振器の高集積化を図る。
【００１４】
また、この発明は、上記構成の共振器と、それに結合する信号入出力手段とを備えてフィルタを構成する。この構造により、小型のフィルタを得る。
【００１５】
また、この発明は、上記共振器またはフィルタを備えて通信装置を構成する。これにより、上記共振器またはフィルタを設けた高周波回路部での小型化を図り、小型の通信装置を得る。
【００１６】
【発明の実施の形態】
第１の実施形態に係る共振器について図１〜図４を基に説明する。
図１の（Ｂ）は共振器の上面図、（Ａ）は（Ｂ）におけるＡ−Ａ部分の断面図である。
【００１７】
矩形板形状の誘電体基板１の上面には導体開口部ＡＰａ，ＡＰｂ，ＡＰｃからなるダンベル型の導体開口部を有する導体膜１０を形成している。開口の広い２つの導体開口部ＡＰａ，ＡＰｂのそれぞれには複数の導体線路２ａ，２ｂ，２ｃからなる導体線路集合体２′を形成している。
【００１８】
この例では、図中破線の楕円で示すように、導体線路２ａ，２ｂ，２ｃの両方の端部同士を幅方向に近接させている。この破線の楕円で示す部分が後に説明するステップリング共振素子の容量性領域に相当する。また、この例では導体線路２ａ，２ｂ，２ｃの一方の先端と、それに隣接する他の導体線路の一方の先端とが、Ｇで示す位置で所定間隔を隔てて向き合うように配置している。この導体線路のパターンは、１本のスパイラル状の導体線路を、途中の所定箇所（図中Ｇで示す部分）で部分的に切断して得られるものに等しい。すなわち、ある２つの隣接する共振単位同士で比較すると、共振単位の容量性領域（上述の楕円で囲んだ部分）を周回方向に少しずれた位置に形成している。したがって、半径方向の変化に対する容量性領域の位置をみると、容量性領域は半径方向の変化に伴って周回方向に次第にずれた位置に配置していることになる。
【００１９】
ここで、上記導体線路２ａ，２ｂ，２ｃによる共振器の作用を説明する前に、その１つの共振単位について図２を基に説明する。
図２の（Ａ）は１共振単位の平面図である。（Ｂ）は、導体線路２の両方の端部同士の近接部分での電界分布を示している。（Ｃ）は導体線路上の電流分布を示している。
【００２０】
このように、線路導体２は誘電体基板１上で、一定幅で１周以上周回した形状としていて、その両方の端部を互いに導体線路の幅方向に近接させている。すなわち、図中、破線の楕円で囲んで示すように、導体線路２の一方の端部ｘ１と他方の端部ｘ２を互いに幅方向に近接させている。
【００２１】
図２の（Ｂ）において実線の矢印は電界ベクトル、白抜きの矢印は電流ベクトルを表している。この（Ｂ）に示すように、導体線路の両端ｘ１，ｘ２の幅方向に近接する部分に電界が集中する。また、導体線路の一方の先端部と、それに近接する他方の端部付近ｘ１１との間に、および他方の先端部と、それに近接する他方の端部付近ｘ２１との間にも電界が分布し、これらの部分に容量が生じる。
【００２２】
電流分布について見ると、（Ｃ）に示すように、電流強度は、導体線路のＡからＢにかけて急峻に増大し、Ｂ〜Ｄの領域において略一定値を保ち、ＤからＥにかけて急激に減少する。両端部は０である。導体線路の両端部同士が幅方向に近接する領域Ａ〜Ｂ，Ｄ〜Ｅは容量性領域、その他の領域Ｂ〜Ｄを誘導性領域と呼ぶことができる。この容量性領域と誘導性領域とにより共振動作する。すなわち、この共振単位は、それを集中定数回路のように見なせばＬＣ共振回路を構成している。
【００２３】
以下、このように、導体線路からなり、容量性領域と誘導性領域を有する環状の単位を単に共振単位という。
【００２４】
このように、共振単位が、インピーダンスの高い誘導性領域とインピーダンスの低い容量性領域とから構成していて、インピーダンスがステップ状に変化するので、共振単位をステップリングと呼び、共振素子が複数の共振単位からなるので、その共振素子を多重ステップリング共振素子と呼ぶことにする。
【００２５】
このようにして、限られた占有面積内に線数の多い導体線路２の集合体を配置して、線数の多い導体線路を設け、且つ小型の共振器を構成する。
【００２６】
図３は、図１に示した共振器の等価回路図である。（Ｂ）は図１に示した導体線路２ａ，２ｂ，２ｃを形成しないで導体開口部ＡＰａ，ＡＰｂ，ＡＰｃを有する導体膜１０のみを形成したスロット共振器の等価回路である。導体開口部ＡＰａ，ＡＰｂによる誘導性領域をインダクタＬ０、導体開口部ＡＰｃによる容量性領域をキャパシタＣ０で表せば、そのスロット共振器は図３の（Ｂ）のように表すことができる。すなわち、上記開口部ＡＰａ，ＡＰｂ，ＡＰｃによるスロット共振器は集中定数回路としてはＬＣ並列共振回路として作用する。
【００２７】
図１に示した導体線路２ａ，２ｂ，２ｃによる各共振単位は、それぞれ容量性領域と誘導性領域を環状に接続した構造であるので、これをキャパシタとインダクタの並列回路で表せば、共振器全体の等価回路は図３の（Ａ）のように表せる。
【００２８】
このように、スロット共振器の誘導性領域として作用する導体開口部の内部に多重ステップリング共振素子を配置することによって、誘導性領域としての導体開口部の端縁部における電流集中が緩和され、導体損失が抑制できる。また、多重ステップリング共振素子の各導体線路の幅および線路間隔を導体の表皮深さと同程度またはそれ以下にするとともに線数を増すことによって、全体の縁端効果による導体損失が抑えられる。但し、この導体損失の改善効率を高めるためには、多重ステップリング共振素子の半径断面で見たとき各導体線路に流れる電流の合計値と導体開口部の縁に沿って流れる電流値との比を最適な比率に設定することが重要である。この電流比率は、多重ステップリング共振素子内部の容量性領域の容量の合計値（以下「合計容量値」という。）と、導体開口部ＡＰｃに形成される容量との比率によって制御する。
【００２９】
図４はその電流比率と導体損失との関係をシミュレーションした結果を示している。図４の（Ａ）はそのモデルであり、導体開口部ＡＰａ，ＡＰｂの直径を０．７ｍｍ、導体開口部ＡＰｃの長さも０．７ｍｍに定め、導体開口部ＡＰａ，ＡＰｂ内に設ける多重ステップリング共振素子の導体線路の数を１〜５まで変化させた。図４の（Ｂ）において横軸は導体開口部ＡＰｃによる容量性領域の容量に対する上記多重ステップリング共振素子の合計容量値に相当する。縦軸は導体Ｑ上昇率である。この導体Ｑが上昇する程、導体損失が抑制できていることになる。図４の（Ｂ）に示すように、多重ステップリング共振素子の導体線路の数を増す程、導体損失を抑制することができ、また導体線路の数を増す程、多重ステップリング共振素子に流れる電流比率を高めた条件で、より高い導体損失低減効果が得られることがわかる。この関係から多重ステップリング共振素子の導体線路のパターン形成精度の限界と寸法精度を考慮して、最適な導体線路数、多重ステップリング共振素子の合計容量値、およびスロット共振器の容量性領域である導体開口部ＡＰｃのスロット幅を定めればよい。
【００３０】
次に、第２の実施形態に係る共振器について図５〜図８を基に説明する。
図５の（Ｃ）は共振器の上面図、（Ａ）は（Ｃ）におけるＡ−Ａ部分の断面図である。また、（Ｂ）は（Ａ）における（Ｂ）部分の拡大図である。（Ｄ）はこの共振器に用いる共振素子１００の構成を示す図である。
【００３１】
矩形板形状の誘電体基板１の上面には、導体開口部ＡＰａ，ＡＰｂ，ＡＰｃからなるダンベル型の導体開口部を有する導体膜１０を形成している。この導体開口部ＡＰａ，ＡＰｂの上部には共振素子１００を実装している。図５の（Ｃ）ではこの共振素子１００を実装する前の状態であるので、共振素子１００の実装位置を破線で表している。
【００３２】
共振素子１００は、矩形板形状の基板１５の一方の主面に導体線路集合体２′を形成している。この導体線路集合体２′の各導体線路は第１の実施形態で示した導体開口部ＡＰａ，ＡＰｂに形成したものと同様である。したがって、同様に多重ステップリング共振素子として作用する。但し、第１の実施形態では誘電体基板１に対して厚膜印刷法によって導体膜１０と同時に導体線路集合体２′を形成することになるが、この第２の実施形態では薄膜により導体線路集合体２′を形成している。例えば、エッチング法やリフトオフ法などのフォトリソグラフィで形成する。
【００３３】
図５の（Ｄ）では各導体線路のパターンを明示するために線幅および線路間隔をともに極端に広く描き、その本数も少なく表しているが、薄膜微細加工によれば、厚膜印刷法による場合に比べて各導体線路の線路幅および線路間隔を非常に微細化でき、全体の導体損失を効果的に抑えられる。
【００３４】
この共振素子１００を誘電体基板１の上面に実装する際、共振素子１００の四隅部分ＢＤを誘電体基板１に接合する。その状態で共振素子１００の複数の導体線路のうち外側の１本または複数本の導体線路が導体開口部ＡＰａ，ＡＰｂの縁に一部オーバーラップする位置関係となるように共振素子１００を実装する。
【００３５】
このように、多重ステップリング共振素子をスロット共振器とは別に作成できるようにしたことにより、導体膜面積の大きな部分を厚膜印刷法などによって安価に製造することができ、一方共振素子１００の微細な導体線路を薄膜微細加工の手法で非常に微細な導体線路を形成することができる。このようにして、全体に小型化且つ低コスト化を図ることができる。また、図５に示した例では、誘電体基板１の四側面および底面に遮蔽電極７を形成したので、他の共振器や線路との干渉が低減でき、さらに不要波も抑圧できる。
【００３６】
また、共振素子１００の実装時に、共振素子１００の導体線路集合体２′の一部が誘電体基板１側の導体開口部の縁にオーバーラップする位置関係としたことにより、共振素子１００の実装時の横ずれによる電気的特性劣化の感度が小さくなり、特性のバラツキの少ない共振器が容易に製造できるようになる。
【００３７】
次に、多重ステップリング共振素子を備えた共振素子１００の実装による共振装置のＱ向上効果を実験した結果を図６〜図８を基に説明する。
図６は共振素子実装前のスロット共振器のモデルである。ここでは単一の共振素子を用いて実験するために、単一の円形導体開口部ＡＰａとスロット状の導体開口部ＡＰｃを設けるとともに、そのスロット状導体開口部ＡＰｃの所定の位置にチップコンデンサＣ１を実装して、共振器を構成している。図６の（Ａ）は上面図、（Ｂ）は導体開口部ＡＰａ部分の断面図、（Ｃ）はこの共振器の等価回路図である。Ｌ０は、導体開口部ＡＰａによる誘導性領域に相当するインダクタ、Ｃ０は導体開口部ＡＰｃによる容量性領域に相当するキャパシタ、Ｃ１はチップコンデンサＣ１のキャパシタである。
【００３８】
図７は図６に示したモデルに共振素子１００を実装した状態を示している。共振素子１００に設けた多重ステップリング共振素子の導体線路の一部が図６に示した導体開口部ＡＰａによる誘導性領域と誘導性結合するので、等価回路は図７の（Ｃ）に示すようになる。ここで、ＬＳＲは共振素子１００によるインダクタ、ＣＳＲは共振素子１００によるキャパシタである。ここで、共振素子１００に設けた多重ステップリング共振素子の直径は１．９ｍｍで約２３０本の導体線路（共振単位）を構成している。
【００３９】
図８はスロット共振器に対する多重ステップリング共振素子の電流比率とＱ向上効果との関係を示す図である。ここで、横軸は誘電体基板１に設けた導体膜１０に流れる電流に対する共振素子１００の多重ステップリング共振素子に流れる電流の比率、縦軸は共振素子１００を実装することによるＱの向上率である。この電流比は上記チップコンデンサＣ１の容量に対する共振素子１００に設けた多重ステップリング共振素子の合計容量値の比に相当する。
【００４０】
このように、電流比率に応じてＱの向上効果が変わるので、最も効率良くＱを高められるように、多重ステップリング共振素子の導体線路のパターン形成精度の限界と寸法精度を考慮して、最適な導体線路数、多重ステップリング共振素子の合計容量値、およびスロット共振器の容量性領域である導体開口部ＡＰｃのスロット幅を定めればよい。
【００４１】
図９は第３の実施形態に係る共振器について示している。図９において（Ｃ）は共振器の上面図、（Ａ）は（Ｃ）におけるＡ−Ａ部分の断面図、（Ｂ）は（Ｃ）の部分拡大図である。
【００４２】
この共振器は、誘電体基板１に設ける誘導性領域として作用する導体開口部の数を３つにした例である。すなわち、矩形板形状の誘電体基板１の上面には（Ｃ）に示すような導体開口部ＡＰａ〜ＡＰｅを有する導体膜１０を形成している。これらの導体開口部のうち、ＡＰａ，ＡＰｂ，ＡＰｄがそれぞれ誘導性領域として作用し、ＡＰｃ，ＡＰｅがそれぞれ容量性領域として作用する。また、誘導性領域として作用する導体開口部ＡＰａ，ＡＰｂ，ＡＰｄには、それぞれ第１の実施形態の場合と同様の多重ステップリング共振素子を構成している。図９の（Ｂ）は、導体開口部ＡＰｄ部分の多重ステップリング共振素子の構成を示している。導体線路集合体２′の構成は第１の実施形態の場合と同様である。
【００４３】
このようにして、導体開口部ＡＰａ，ＡＰｂによる２つの誘導性領域と、導体開口部ＡＰｃによる１つの容量性領域との組が１つの（１段の）共振器として作用し、２つの誘導性領域として作用する導体開口部ＡＰｂ，ＡＰｄと容量性領域として作用する１つの導体開口部ＡＰｅとの組がもう１つの（２段目の）共振器として作用する。この２つの共振器の磁界分布は（Ａ）の破線で示すようになり、２つの共振器が磁界結合する。すなわち結合した２段の共振器として作用する。
【００４４】
図１０は、第４の実施形態に係る共振器の構成を示す図である。図１０において（Ｂ）は共振器の上面図、（Ａ）は（Ｂ）におけるＡ−Ａ部分の断面図である。
この共振装置は、第２の実施形態で示したスロット共振器の段数を２段にしたものである。すなわち、誘電体基板１には、図９の（Ｃ）に示したものと同様に導体開口部を有する導体膜１０を形成していて、それぞれ誘導性領域として作用する３つの導体開口部の上に共振素子１００を実装している。この構成により、スロット共振器の単位で数えた時、２段の共振器として作用する共振器を構成することができる。
【００４５】
図１１は、導体開口部のパターンの異なる４つの共振器の例について示している。これらはいずれも共振器の上面図であるが、誘電体基板上の導体膜１０のパターンのみを示している。それぞれ誘導性領域として作用する導体開口部のすべてまたは一部に第１の実施形態で示したような多重ステップリング共振素子または単一のステップリング共振素子を構成するか、第２の実施形態で示したような共振素子１００を実装する。
【００４６】
（Ａ）の例では、導体開口部ＡＰａ〜ＡＰｅのうち開口の大きなＡＰａ，ＡＰｂ，ＡＰｄを誘導性領域として作用させ、開口の狭い導体開口部ＡＰｃ，ＡＰｅを容量性領域として作用させる。そして、中央の導体開口部ＡＰｂの直径を他の導体開口部ＡＰａ，ＡＰｄの直径より大きく形成している。これにより、２つの共振器が結合した結果として現れる２つのモード （偶モードと奇モード）の共振周波数に差が生じ、２つの共振器間の結合係数を制御することができる。例えば両側の導体開口部ＡＰａ，ＡＰｄの大きさを一定にするなら、それに対する中央の導体開口部ＡＰｂの大きさによって結合係数を所望の値にできる。また、中央の導体開口部ＡＰｂに磁界エネルギーが集中するモード （奇モード）の導体損失が改善され、その結果、共振器のＱ値が改善される。
【００４７】
図１１の（Ｂ）に示す例では、２つの誘導性領域と１つの容量性領域を組とする共振器の向きを、隣接する共振器同士で異ならせている。ここで、導体開口部ＡＰａ，ＡＰｂ，ＡＰｄ，ＡＰｆがそれぞれ誘導性領域として作用し、導体開口部ＡＰｃ，ＡＰｅ，ＡＰｇがそれぞれ容量性領域として作用する。このように、２つの誘導性領域と１つの容量性領域を組とする共振器を１つの誘導性領域を兼用して順次連結することによって多段のスロット共振器を構成することができる。そして、限られた面積内に多くの誘導性領域を配置できるので、共振器の多段化に有利である。
【００４８】
また、各共振器の磁界ループのなす向きが、隣接する共振器で異なるので、その向きによって（交差する角度によって）、隣接する共振器間の結合の強さを定めることもできる。
【００４９】
（Ｃ）に示す例では、５列３行のマトリックス状に配置した導体開口部ＡＰａａ〜ＡＰｃｅを設け、それらの誘導性領域として作用する導体開口部の間を格子状に結ぶ導体開口部を設け、それらをそれぞれ容量性領域として作用させる。上記容量性領域の数が共振器の数に等しいので、この例では、２２段の共振器として作用する。
【００５０】
図１２は、第６の実施形態に係る共振器の構成を示す図である。図１２の（Ｂ）は上部の遮蔽キャップ１４を取り除いた状態での上面図、（Ａ）は（Ｂ）のＡ−Ａ部分の断面図である。また（Ｃ），（Ｄ）は各層に形成した導体層のパターンを示している。
【００５１】
（Ａ）に示すように、多層基板１２には複数の導体層と誘電体層を交互に積層して成る積層部４５を設けている。各層の導体層は（Ｃ），（Ｄ）に示したように、２種類のパターンからなる導体層４，５を交互に誘電体層を介して積層している。各導体層４，５は多層基板１２の四側面および底面に形成した遮蔽電極７に導通させている。従って、誘電体層と導体層との積層方向に何れの導体層も形成されていない領域が誘導性領域ＩＡａ，ＩＡｂとして作用する。また誘電体層を介して導体層同士が対向する領域が容量性領域ＣＡとして作用する。
そして、誘導性領域ＩＡａ，ＩＡｂに相当する導体開口部ＡＰａ，ＡＰｂに多重ステップリング共振素子として作用する導体線路集合体２′を形成している。
【００５２】
このように複数の導体層および誘電体層を積層して容量性領域ＣＡを構成することによって容量性領域のサイズを縮小化でき、より小型な共振器が得られる。
【００５３】
なお、多層基板１２の上部に導電性の遮蔽キャップ１４を取り付けることによって遮蔽構造の共振器を構成している。
上記多層基板１２は、誘電体セラミックグリーンシートに対する導電性ペーストの印刷によるパターン形成およびそのシートの積層・プレス・焼成といった一連の積層多層基板の製造方法によって製造できる。また、基板上に誘電体層と導体層を順に印刷し、焼成することによって製造する方法を採ることもできる。
【００５４】
次に、第７の実施形態に係るフィルタの構成例を図１３を基に説明する。
図１３において、（Ｄ）はフィルタの上面図、（Ａ）は（Ｄ）におけるＡ−Ａ部分の断面図である。（Ｅ）はフィルタの正面図であり、（Ｂ）は（Ｅ）におけるＢ−Ｂ部分の断面図である。また（Ｃ）は上部の遮蔽キャップ１４を取り外した状態での上面図（（Ｅ）におけるＣ−Ｃ部分の平面図）である。多層基板１２には、図１２に示した多層基板１２の構造と同様に、２種類のパターンからなる複数の導体層を誘電体層を介して交互に積層している。これにより、３つの誘導性領域ＩＡａ，ＩＡｂ，ＩＡｃおよびそれらの間を繋ぐ２つの容量性領域ＣＡａ，ＣＡｂを設けている。
【００５５】
また、（Ａ）（Ｂ）に示すように、多層基板１２の上記２つの導体層パターンの積層部分から離れた位置に入出力結合用電極８ａ，８ｂを形成している。これらの入出力結合用電極８ａ，８ｂの一方の端部は多層基板１２の側面に形成した遮蔽電極７に導通させていて、他端は入出力端子９ａ，９ｂに導通させている。この構造により、入出力結合用電極８ａ，８ｂと遮蔽電極７とによって結合ループを構成している。
【００５６】
２つの誘導性領域ＩＡａ，ＩＡｂと１つの容量性領域ＣＡａとの組が１つの（１段の）共振器として作用し、２つの誘導性領域ＩＡｂ，ＩＡｃと１つの容量性領域ＣＡｂとの組がもう１つの（２段目の）共振器として作用する。この２つの共振器の磁界分布は（Ａ）の破線で示すようになり、入出力結合用電極８ａ，８ｂはそれぞれの共振器と磁界結合する。従って、このフィルタは２段の共振器による帯域通過特性を示すフィルタとして作用する。
このようにして、小型且つＱｏの高い共振器を備えて、挿入損失の低い帯域通過特性を有するフィルタとして用いることができる。
【００５７】
なお、図９、図１０、図１１（Ｂ），（Ｃ）、図１３では、隣接する導体開口部の大きさを揃えて表したが、これらの図に示したように２つの誘導性領域と１つの容量性領域との組による共振器が複数組存在する場合に、隣接する共振器間の結合係数を定めるために、各導体開口部の大きさを異ならせても良い。前述したように、隣接する導体開口部間の大きさを変えることによって、２つの共振器間の偶モードと奇モードの周波数に差を生じさせて、その２つの共振器間の結合係数を制御することができる。また、導体開口部の形状を定めることによっても同様にして２つの共振器間の結合係数を制御することができる。
【００５８】
次に第８の実施形態に係る共振器について図１４を基に説明する。
図１に示した例では、誘電体基板１の誘導性領域として作用する導体開口部に備えるステップリング共振素子は、導体線路２の一方の端部を自らの他方の端部に近接させて単数の導体線路で環状の共振単位を構成したが、共振単位を構成する導体線路は単数である必要はなく複数であってもよい。すなわち、１つの共振単位を複数の導体線路で構成することとし、導体線路２の一方の端部を同じ共振単位を構成する他の導体線路の端部に近接させるように構成してもよい。これにより、一つの共振単位が複数の容量性領域と複数の誘導性領域を持つようになる。例えば図１４に示すように、２つの導体線路で環状の共振単位を構成してもよい。図１４の（Ａ）に示す例では、誘電体基板１の表面に２ａ，２ｂで示す２つの導体線路をそれぞれ半周以上周回した形状としている。同様にして一周する間に３つの容量性領域を持つように各導体線路を１／３周を越える程度の角度範囲を周回した形状としてもよい。
【００５９】
図１４の（Ａ）では、導体線路２ａの一方の端部ｘａ１と導体線路２ｂの一方の端部ｘｂ１とを幅方向に近接させている。同時に、導体線路２ａの他方の端部ｘａ２と導体線路２ｂの他方の端部ｘｂ２とを幅方向に近接させている。この２組の端部同士の近接する領域で２つの容量性領域を形成している。したがって、導体線路２ａ，２ｂがそれぞれ両端開放の半波長線路として作用する。
【００６０】
図１４の（Ｂ）は、図１４の（Ａ）に示した共振単位を２つ設けて共振器を構成した例である。導体線路２ａの両方の端部と導体線路２ｂの両方の端部がそれぞれ幅方向に近接して２つの容量性領域を形成し、導体線路２ｃの両方の端部と導体線路２ｄの両方の端部がそれぞれ幅方向に近接して２つの容量性領域を形成している。このようにして図１４（Ｂ）で４つの破線の楕円で囲んだ部分に容量性領域を形成している。また、各共振単位の導体線路の一方の先端と、それに隣接する他の共振単位の導体線路の一方の先端とが、Ｇで示す位置で所定間隙を隔てて向き合うように各導体線路２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄを配置している。この配置によって２つの共振単位の隣接位置で導体線路同士の間隔を一定にしている。したがって、導体線路全体にわたって縁端効果による電流集中を緩和することができ、その分導体損失が抑えられる。
【００６１】
このように１つの共振単位を複数の導体線路で構成した多重ステップリング共振素子は、図５に示したような共振素子１００に適用してもよい。
なお、上述の各実施形態に示した例では、ステップリング共振素子を構成する導体線路２の端部同士を線路の幅方向に近接させたが、それを誘電体層を介して厚み方向に近接させるように構成してもよい。
【００６２】
次に、第９の実施形態に係るデュプレクサと通信装置の構成を示す。
図１５の（Ａ）はデュプレクサのブロック図である。ここで、送信フィルタと受信フィルタは、それぞれ図１３に示した構成からなる。送信フィルタＴｘＦＩＬと受信フィルタＲｘＦＩＬの通過帯域は、それぞれの帯域に合わせて設計する。また、送受共用端子としてのアンテナ端子への接続は、送信信号の受信フィルタへの回り込み、および受信信号の送信フィルタへの回り込みを防止するように位相調整する。
【００６３】
図１５の（Ｂ）は、通信装置の構成を示すブロック図である。ここで、デュプレクサＤＵＰとしては（Ａ）に示した構成のものを用いる。回路基板上には、送信回路Ｔｘ−ＣＩＲと受信回路Ｒｘ−ＣＩＲを構成していて、デュプレクサＤＵＰの送信信号入力端子に送信回路Ｔｘ−ＣＩＲが接続され、デュプレクサＤＵＰの受信信号出力端子に受信回路Ｒｘ−ＣＩＲが接続され、且つアンテナ端子にアンテナＡＮＴが接続されるように、上記回路基板上にデュプレクサＤＵＰを実装する。
【００６４】
【発明の効果】
この発明によれば、開口の広い少なくとも２つの誘導性領域と、開口の狭い容量性領域とでスロット共振器を構成するとともに、その誘導性領域に結合する共振器を備えたことにより、導体の縁端部分に生じる縁端効果および導体表面に生じる表皮効果がそれぞれ緩和されて導体損失が低減される。その結果、小型且つＱｏの高い共振器が得られる。
【００６５】
また、この発明によれば、誘導性領域同士をつなぐ容量性領域を、誘電体層と該誘電体層によって一部が厚み方向に間隙をもって積層された複数の導体層とで構成したことにより、限られた面積内に所定容量を生じさせて、インピーダンスのステップ比を高めることができ、その分小型化できる。また、同一層内で導体膜に設ける開口の狭い部分で容量性領域を構成する場合に比べて導体膜のパターン形成精度によるバラツキを抑え、共振周波数の精度を高めることができる。
【００６６】
また、この発明によれば、誘導性領域と容量性領域とをそれぞれ複数個設けるとともに、誘導性領域同士を容量性領域で接続してなる組を複数組設けたことによって、単一の基板に多数の共振器が高集積化できる。
【００６７】
また、この発明によれば、上記のいずれかに記載の構成からなる共振器と、その共振器に結合する信号入出力手段とを備えたことにより、小型で且つ低挿入損失のフィルタ特性が得られる。
【００６８】
また、この発明は、上記共振器またはフィルタを備えて通信装置を構成することにより、上記共振器またはフィルタを設けた高周波回路部が小型化でき、小型の通信装置が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施形態に係る共振器の構成を示す図
【図２】同共振器におけるステップリング共振素子の電界分布および電流強度の分布を示す図
【図３】同共振器の等価回路図
【図４】同共振器における多重ステップリング共振素子の付与による導体Ｑの改善効果を示す図
【図５】第２の実施形態に係る共振器の構成を示す図
【図６】共振素子を実装することによるＱ向上効果を測定するための共振器の構成を示す図
【図７】図６に示した共振器に共振素子を実装した状態を示す図
【図８】スロット共振器に対する多重ステップリング共振素子の電流比率とＱ向上効果との関係を示す図
【図９】第３の実施形態に係る共振器の構成を示す図
【図１０】第４の実施形態に係る共振器の構成を示す図
【図１１】第５の実施形態に係る４種類の共振器の構成を示す図
【図１２】第６の実施形態に係る共振器の構成を示す図
【図１３】第７の実施形態に係るフィルタの構成を示す図
【図１４】第８の実施形態に係る共振器の主要部の構成を示す図
【図１５】第９の実施形態に係るデュプレクサおよび通信装置の構成を示すブロック図
【図１６】従来の共振器の構成を示す図
【符号の説明】
１−誘電体基板
２−導体線路
４，５−導体層
７−遮蔽電極
８−入出力結合用電極
９−入出力端子
１０−導体膜
１２−多層基板
１４−遮蔽キャップ
４５−積層部
ＡＰ−導体開口部
ＩＡ−誘導性領域
ＣＡ−容量性領域
１００−共振素子
１３−導体膜
１５−基板
２′−導体線路集合体
ＢＤ−ボンディング部
【発明の属する技術分野】
この発明は、例えばマイクロ波帯やミリ波帯における無線通信や電磁波の送受信に利用される共振器、フィルタおよび通信装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、スロットラインを用いた共振器において、その小型化のためにスロットラインをステップインピーダンス構造にする設計手法が知られている（例えば非特許文献１、非特許文献２参照）。これは、スロットラインの両端付近の幅を広くし中央を細くして、スロットラインの両端付近のインピーダンスを誘導性、中央部のインピーダンスを容量性とし、スロットラインに沿った方向でインピーダンスをステップ状に変化させることによって、同じ共振周波数を得るのに要するスロットラインの長さを短縮化するものである。
【０００３】
ここで、この従来のステップインピーダンス化したスロット共振器の典型的な例を図１６に示す。図１６の（Ｂ）はスロット共振器を構成した基板の上面図、（Ａ）は（Ｂ）におけるＡ−Ａ部分の断面図である。誘電体基板１の表面には導体開口部ＡＰａ，ＡＰｂ，ＡＰｃを有する導体膜１０を形成している。導体開口部ＡＰａ，ＡＰｂ，ＡＰｃは、それら全体によって１つのダンベル型の導体開口部を形成していて、両端の導体開口部ＡＰａ，ＡＰｂの幅（この例では円形であるので直径ということもできる。）が相対的に大きく、それに対して中央の導体開口部ＡＰｃの幅は狭い。そのため、両端部が誘導性、中央部が容量性をもつ。
【０００４】
図１６（Ａ）の破線はこのスロット共振器の磁力線を概略的に表している。この磁力線によって、この共振器の磁界分布を示している。このようにステップインピーダンス構造のスロット共振器は、両端部の誘導性領域の一方で磁界ベクトルが上向きとなるとき、他方で磁界ベクトルが下向きとなって、全体で磁気双極子のように振る舞う。共振動作により生じる磁界エネルギーの多くは導体開口部ＡＰａ，ＡＰｂによる誘導性領域に集中し、電界エネルギーの多くは導体開口部ＡＰｃによる容量性領域に分布する。このように磁界エネルギーと電界エネルギーの蓄積領域を分離することによって集中定数回路として作用し、スロット共振器の小型化が可能となる。
【０００５】
【非特許文献１】
Ｂｈａｒａｔｈｉ Ｂｈａｔ， Ｓｈｉｂａｎ Ｋ． Ｋｏｕｌ， “ＡＮＡＬＹＳＩＳ， ＤＥＳＩＧＮ ＡＮＤ ＡＰＰＬＩＣＡＴＩＯＮＳ ＯＦ ＦＩＮ ＬＩＮＥＳ”， ｐｐ．３１６−３１７． 発行所ＡＲＴＥＣＨ ＨＯＵＳＥ，ＩＮＣ 発行国Ｕ．Ｓ．Ａ． 発行年１９８７
【非特許文献２】
小西良弘， “マイクロ波回路の基礎と応用”， 総合電子出版社， ｐ．１６９．発行年１９９０（第１版）
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
前記スロット共振器では、同じ共振周波数の共振器を構成する際に、そのステップインピーダンス化によって小型化が可能であるが、共振器の小型化に伴って、導体膜に流れる電流密度が高まるため、導体損失も増大し、無負荷Ｑ（Ｑｏ）の高い共振器が得られないという問題が生じる。
【０００７】
そこで、この発明の目的は、ステップインピーダンス化によって小型化するとともにＱｏの高い共振器、それを備えたフィルタおよび通信装置を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
この発明は、基板に、所定箇所を導体開口部とした導体膜を設けるとともに、導体開口部のうち相対的に開口の広い少なくとも２つの誘導性領域と、相対的に開口の狭い容量性領域とを備え、該容量性領域で誘導性領域同士を接続してなる共振器において、誘導性領域に次の構成からなる共振素子を少なくとも１つ備えたことを特徴としている。
【０００９】
単数または複数の導体線路からなり、容量性領域と誘導性領域とを有する環状の共振単位の、１個または複数個から構成される共振素子であって、導体線路は、その一方の端部が自らの他方の端部もしくは同じ共振単位を構成する他の導体線路の端部と幅方向にまたは厚み方向に近接することによって容量性領域を構成している。
【００１０】
この構造により、共振素子の容量性領域を容量素子として作用させ、各導体線路を両端開放の半波長線路として作用させる。また、導体の縁端部分に生じる縁端効果および導体表面に生じる表皮効果をそれぞれ緩和して導体損失を低減する。
【００１１】
また、この発明は、前記基板を、誘電体層と該誘電体層によって一部が厚み方向に間隙をもって積層された複数の導体層とを備えた構造にし、誘電体層と導体層の積層方向にいずれの導体層も形成されていない領域を誘導性領域とし、相対的に開口の狭い部分に代えて、導体層が誘電体層を介して間隙をもって積層された部分を容量性領域としたことを特徴としている。
【００１２】
このように、誘電体層を介して対向する導体層の部分で容量性領域を構成することによって、限られた面積内に所定容量を生じさせて、インピーダンスのステップ比を高め、小型化を図る。また、同一層内で導体膜に設ける開口の狭い部分で容量性領域を構成する場合に比べて導体膜のパターン形成精度によるバラツキを抑え、共振周波数の精度を高める。
【００１３】
また、この発明は、前記誘導性領域と前記容量性領域とをそれぞれ複数個設けるとともに、誘導性領域同士を容量性領域で接続してなる組を複数組設けたことを特徴としている。
この構造によって、多数の共振器の高集積化を図る。
【００１４】
また、この発明は、上記構成の共振器と、それに結合する信号入出力手段とを備えてフィルタを構成する。この構造により、小型のフィルタを得る。
【００１５】
また、この発明は、上記共振器またはフィルタを備えて通信装置を構成する。これにより、上記共振器またはフィルタを設けた高周波回路部での小型化を図り、小型の通信装置を得る。
【００１６】
【発明の実施の形態】
第１の実施形態に係る共振器について図１〜図４を基に説明する。
図１の（Ｂ）は共振器の上面図、（Ａ）は（Ｂ）におけるＡ−Ａ部分の断面図である。
【００１７】
矩形板形状の誘電体基板１の上面には導体開口部ＡＰａ，ＡＰｂ，ＡＰｃからなるダンベル型の導体開口部を有する導体膜１０を形成している。開口の広い２つの導体開口部ＡＰａ，ＡＰｂのそれぞれには複数の導体線路２ａ，２ｂ，２ｃからなる導体線路集合体２′を形成している。
【００１８】
この例では、図中破線の楕円で示すように、導体線路２ａ，２ｂ，２ｃの両方の端部同士を幅方向に近接させている。この破線の楕円で示す部分が後に説明するステップリング共振素子の容量性領域に相当する。また、この例では導体線路２ａ，２ｂ，２ｃの一方の先端と、それに隣接する他の導体線路の一方の先端とが、Ｇで示す位置で所定間隔を隔てて向き合うように配置している。この導体線路のパターンは、１本のスパイラル状の導体線路を、途中の所定箇所（図中Ｇで示す部分）で部分的に切断して得られるものに等しい。すなわち、ある２つの隣接する共振単位同士で比較すると、共振単位の容量性領域（上述の楕円で囲んだ部分）を周回方向に少しずれた位置に形成している。したがって、半径方向の変化に対する容量性領域の位置をみると、容量性領域は半径方向の変化に伴って周回方向に次第にずれた位置に配置していることになる。
【００１９】
ここで、上記導体線路２ａ，２ｂ，２ｃによる共振器の作用を説明する前に、その１つの共振単位について図２を基に説明する。
図２の（Ａ）は１共振単位の平面図である。（Ｂ）は、導体線路２の両方の端部同士の近接部分での電界分布を示している。（Ｃ）は導体線路上の電流分布を示している。
【００２０】
このように、線路導体２は誘電体基板１上で、一定幅で１周以上周回した形状としていて、その両方の端部を互いに導体線路の幅方向に近接させている。すなわち、図中、破線の楕円で囲んで示すように、導体線路２の一方の端部ｘ１と他方の端部ｘ２を互いに幅方向に近接させている。
【００２１】
図２の（Ｂ）において実線の矢印は電界ベクトル、白抜きの矢印は電流ベクトルを表している。この（Ｂ）に示すように、導体線路の両端ｘ１，ｘ２の幅方向に近接する部分に電界が集中する。また、導体線路の一方の先端部と、それに近接する他方の端部付近ｘ１１との間に、および他方の先端部と、それに近接する他方の端部付近ｘ２１との間にも電界が分布し、これらの部分に容量が生じる。
【００２２】
電流分布について見ると、（Ｃ）に示すように、電流強度は、導体線路のＡからＢにかけて急峻に増大し、Ｂ〜Ｄの領域において略一定値を保ち、ＤからＥにかけて急激に減少する。両端部は０である。導体線路の両端部同士が幅方向に近接する領域Ａ〜Ｂ，Ｄ〜Ｅは容量性領域、その他の領域Ｂ〜Ｄを誘導性領域と呼ぶことができる。この容量性領域と誘導性領域とにより共振動作する。すなわち、この共振単位は、それを集中定数回路のように見なせばＬＣ共振回路を構成している。
【００２３】
以下、このように、導体線路からなり、容量性領域と誘導性領域を有する環状の単位を単に共振単位という。
【００２４】
このように、共振単位が、インピーダンスの高い誘導性領域とインピーダンスの低い容量性領域とから構成していて、インピーダンスがステップ状に変化するので、共振単位をステップリングと呼び、共振素子が複数の共振単位からなるので、その共振素子を多重ステップリング共振素子と呼ぶことにする。
【００２５】
このようにして、限られた占有面積内に線数の多い導体線路２の集合体を配置して、線数の多い導体線路を設け、且つ小型の共振器を構成する。
【００２６】
図３は、図１に示した共振器の等価回路図である。（Ｂ）は図１に示した導体線路２ａ，２ｂ，２ｃを形成しないで導体開口部ＡＰａ，ＡＰｂ，ＡＰｃを有する導体膜１０のみを形成したスロット共振器の等価回路である。導体開口部ＡＰａ，ＡＰｂによる誘導性領域をインダクタＬ０、導体開口部ＡＰｃによる容量性領域をキャパシタＣ０で表せば、そのスロット共振器は図３の（Ｂ）のように表すことができる。すなわち、上記開口部ＡＰａ，ＡＰｂ，ＡＰｃによるスロット共振器は集中定数回路としてはＬＣ並列共振回路として作用する。
【００２７】
図１に示した導体線路２ａ，２ｂ，２ｃによる各共振単位は、それぞれ容量性領域と誘導性領域を環状に接続した構造であるので、これをキャパシタとインダクタの並列回路で表せば、共振器全体の等価回路は図３の（Ａ）のように表せる。
【００２８】
このように、スロット共振器の誘導性領域として作用する導体開口部の内部に多重ステップリング共振素子を配置することによって、誘導性領域としての導体開口部の端縁部における電流集中が緩和され、導体損失が抑制できる。また、多重ステップリング共振素子の各導体線路の幅および線路間隔を導体の表皮深さと同程度またはそれ以下にするとともに線数を増すことによって、全体の縁端効果による導体損失が抑えられる。但し、この導体損失の改善効率を高めるためには、多重ステップリング共振素子の半径断面で見たとき各導体線路に流れる電流の合計値と導体開口部の縁に沿って流れる電流値との比を最適な比率に設定することが重要である。この電流比率は、多重ステップリング共振素子内部の容量性領域の容量の合計値（以下「合計容量値」という。）と、導体開口部ＡＰｃに形成される容量との比率によって制御する。
【００２９】
図４はその電流比率と導体損失との関係をシミュレーションした結果を示している。図４の（Ａ）はそのモデルであり、導体開口部ＡＰａ，ＡＰｂの直径を０．７ｍｍ、導体開口部ＡＰｃの長さも０．７ｍｍに定め、導体開口部ＡＰａ，ＡＰｂ内に設ける多重ステップリング共振素子の導体線路の数を１〜５まで変化させた。図４の（Ｂ）において横軸は導体開口部ＡＰｃによる容量性領域の容量に対する上記多重ステップリング共振素子の合計容量値に相当する。縦軸は導体Ｑ上昇率である。この導体Ｑが上昇する程、導体損失が抑制できていることになる。図４の（Ｂ）に示すように、多重ステップリング共振素子の導体線路の数を増す程、導体損失を抑制することができ、また導体線路の数を増す程、多重ステップリング共振素子に流れる電流比率を高めた条件で、より高い導体損失低減効果が得られることがわかる。この関係から多重ステップリング共振素子の導体線路のパターン形成精度の限界と寸法精度を考慮して、最適な導体線路数、多重ステップリング共振素子の合計容量値、およびスロット共振器の容量性領域である導体開口部ＡＰｃのスロット幅を定めればよい。
【００３０】
次に、第２の実施形態に係る共振器について図５〜図８を基に説明する。
図５の（Ｃ）は共振器の上面図、（Ａ）は（Ｃ）におけるＡ−Ａ部分の断面図である。また、（Ｂ）は（Ａ）における（Ｂ）部分の拡大図である。（Ｄ）はこの共振器に用いる共振素子１００の構成を示す図である。
【００３１】
矩形板形状の誘電体基板１の上面には、導体開口部ＡＰａ，ＡＰｂ，ＡＰｃからなるダンベル型の導体開口部を有する導体膜１０を形成している。この導体開口部ＡＰａ，ＡＰｂの上部には共振素子１００を実装している。図５の（Ｃ）ではこの共振素子１００を実装する前の状態であるので、共振素子１００の実装位置を破線で表している。
【００３２】
共振素子１００は、矩形板形状の基板１５の一方の主面に導体線路集合体２′を形成している。この導体線路集合体２′の各導体線路は第１の実施形態で示した導体開口部ＡＰａ，ＡＰｂに形成したものと同様である。したがって、同様に多重ステップリング共振素子として作用する。但し、第１の実施形態では誘電体基板１に対して厚膜印刷法によって導体膜１０と同時に導体線路集合体２′を形成することになるが、この第２の実施形態では薄膜により導体線路集合体２′を形成している。例えば、エッチング法やリフトオフ法などのフォトリソグラフィで形成する。
【００３３】
図５の（Ｄ）では各導体線路のパターンを明示するために線幅および線路間隔をともに極端に広く描き、その本数も少なく表しているが、薄膜微細加工によれば、厚膜印刷法による場合に比べて各導体線路の線路幅および線路間隔を非常に微細化でき、全体の導体損失を効果的に抑えられる。
【００３４】
この共振素子１００を誘電体基板１の上面に実装する際、共振素子１００の四隅部分ＢＤを誘電体基板１に接合する。その状態で共振素子１００の複数の導体線路のうち外側の１本または複数本の導体線路が導体開口部ＡＰａ，ＡＰｂの縁に一部オーバーラップする位置関係となるように共振素子１００を実装する。
【００３５】
このように、多重ステップリング共振素子をスロット共振器とは別に作成できるようにしたことにより、導体膜面積の大きな部分を厚膜印刷法などによって安価に製造することができ、一方共振素子１００の微細な導体線路を薄膜微細加工の手法で非常に微細な導体線路を形成することができる。このようにして、全体に小型化且つ低コスト化を図ることができる。また、図５に示した例では、誘電体基板１の四側面および底面に遮蔽電極７を形成したので、他の共振器や線路との干渉が低減でき、さらに不要波も抑圧できる。
【００３６】
また、共振素子１００の実装時に、共振素子１００の導体線路集合体２′の一部が誘電体基板１側の導体開口部の縁にオーバーラップする位置関係としたことにより、共振素子１００の実装時の横ずれによる電気的特性劣化の感度が小さくなり、特性のバラツキの少ない共振器が容易に製造できるようになる。
【００３７】
次に、多重ステップリング共振素子を備えた共振素子１００の実装による共振装置のＱ向上効果を実験した結果を図６〜図８を基に説明する。
図６は共振素子実装前のスロット共振器のモデルである。ここでは単一の共振素子を用いて実験するために、単一の円形導体開口部ＡＰａとスロット状の導体開口部ＡＰｃを設けるとともに、そのスロット状導体開口部ＡＰｃの所定の位置にチップコンデンサＣ１を実装して、共振器を構成している。図６の（Ａ）は上面図、（Ｂ）は導体開口部ＡＰａ部分の断面図、（Ｃ）はこの共振器の等価回路図である。Ｌ０は、導体開口部ＡＰａによる誘導性領域に相当するインダクタ、Ｃ０は導体開口部ＡＰｃによる容量性領域に相当するキャパシタ、Ｃ１はチップコンデンサＣ１のキャパシタである。
【００３８】
図７は図６に示したモデルに共振素子１００を実装した状態を示している。共振素子１００に設けた多重ステップリング共振素子の導体線路の一部が図６に示した導体開口部ＡＰａによる誘導性領域と誘導性結合するので、等価回路は図７の（Ｃ）に示すようになる。ここで、ＬＳＲは共振素子１００によるインダクタ、ＣＳＲは共振素子１００によるキャパシタである。ここで、共振素子１００に設けた多重ステップリング共振素子の直径は１．９ｍｍで約２３０本の導体線路（共振単位）を構成している。
【００３９】
図８はスロット共振器に対する多重ステップリング共振素子の電流比率とＱ向上効果との関係を示す図である。ここで、横軸は誘電体基板１に設けた導体膜１０に流れる電流に対する共振素子１００の多重ステップリング共振素子に流れる電流の比率、縦軸は共振素子１００を実装することによるＱの向上率である。この電流比は上記チップコンデンサＣ１の容量に対する共振素子１００に設けた多重ステップリング共振素子の合計容量値の比に相当する。
【００４０】
このように、電流比率に応じてＱの向上効果が変わるので、最も効率良くＱを高められるように、多重ステップリング共振素子の導体線路のパターン形成精度の限界と寸法精度を考慮して、最適な導体線路数、多重ステップリング共振素子の合計容量値、およびスロット共振器の容量性領域である導体開口部ＡＰｃのスロット幅を定めればよい。
【００４１】
図９は第３の実施形態に係る共振器について示している。図９において（Ｃ）は共振器の上面図、（Ａ）は（Ｃ）におけるＡ−Ａ部分の断面図、（Ｂ）は（Ｃ）の部分拡大図である。
【００４２】
この共振器は、誘電体基板１に設ける誘導性領域として作用する導体開口部の数を３つにした例である。すなわち、矩形板形状の誘電体基板１の上面には（Ｃ）に示すような導体開口部ＡＰａ〜ＡＰｅを有する導体膜１０を形成している。これらの導体開口部のうち、ＡＰａ，ＡＰｂ，ＡＰｄがそれぞれ誘導性領域として作用し、ＡＰｃ，ＡＰｅがそれぞれ容量性領域として作用する。また、誘導性領域として作用する導体開口部ＡＰａ，ＡＰｂ，ＡＰｄには、それぞれ第１の実施形態の場合と同様の多重ステップリング共振素子を構成している。図９の（Ｂ）は、導体開口部ＡＰｄ部分の多重ステップリング共振素子の構成を示している。導体線路集合体２′の構成は第１の実施形態の場合と同様である。
【００４３】
このようにして、導体開口部ＡＰａ，ＡＰｂによる２つの誘導性領域と、導体開口部ＡＰｃによる１つの容量性領域との組が１つの（１段の）共振器として作用し、２つの誘導性領域として作用する導体開口部ＡＰｂ，ＡＰｄと容量性領域として作用する１つの導体開口部ＡＰｅとの組がもう１つの（２段目の）共振器として作用する。この２つの共振器の磁界分布は（Ａ）の破線で示すようになり、２つの共振器が磁界結合する。すなわち結合した２段の共振器として作用する。
【００４４】
図１０は、第４の実施形態に係る共振器の構成を示す図である。図１０において（Ｂ）は共振器の上面図、（Ａ）は（Ｂ）におけるＡ−Ａ部分の断面図である。
この共振装置は、第２の実施形態で示したスロット共振器の段数を２段にしたものである。すなわち、誘電体基板１には、図９の（Ｃ）に示したものと同様に導体開口部を有する導体膜１０を形成していて、それぞれ誘導性領域として作用する３つの導体開口部の上に共振素子１００を実装している。この構成により、スロット共振器の単位で数えた時、２段の共振器として作用する共振器を構成することができる。
【００４５】
図１１は、導体開口部のパターンの異なる４つの共振器の例について示している。これらはいずれも共振器の上面図であるが、誘電体基板上の導体膜１０のパターンのみを示している。それぞれ誘導性領域として作用する導体開口部のすべてまたは一部に第１の実施形態で示したような多重ステップリング共振素子または単一のステップリング共振素子を構成するか、第２の実施形態で示したような共振素子１００を実装する。
【００４６】
（Ａ）の例では、導体開口部ＡＰａ〜ＡＰｅのうち開口の大きなＡＰａ，ＡＰｂ，ＡＰｄを誘導性領域として作用させ、開口の狭い導体開口部ＡＰｃ，ＡＰｅを容量性領域として作用させる。そして、中央の導体開口部ＡＰｂの直径を他の導体開口部ＡＰａ，ＡＰｄの直径より大きく形成している。これにより、２つの共振器が結合した結果として現れる２つのモード （偶モードと奇モード）の共振周波数に差が生じ、２つの共振器間の結合係数を制御することができる。例えば両側の導体開口部ＡＰａ，ＡＰｄの大きさを一定にするなら、それに対する中央の導体開口部ＡＰｂの大きさによって結合係数を所望の値にできる。また、中央の導体開口部ＡＰｂに磁界エネルギーが集中するモード （奇モード）の導体損失が改善され、その結果、共振器のＱ値が改善される。
【００４７】
図１１の（Ｂ）に示す例では、２つの誘導性領域と１つの容量性領域を組とする共振器の向きを、隣接する共振器同士で異ならせている。ここで、導体開口部ＡＰａ，ＡＰｂ，ＡＰｄ，ＡＰｆがそれぞれ誘導性領域として作用し、導体開口部ＡＰｃ，ＡＰｅ，ＡＰｇがそれぞれ容量性領域として作用する。このように、２つの誘導性領域と１つの容量性領域を組とする共振器を１つの誘導性領域を兼用して順次連結することによって多段のスロット共振器を構成することができる。そして、限られた面積内に多くの誘導性領域を配置できるので、共振器の多段化に有利である。
【００４８】
また、各共振器の磁界ループのなす向きが、隣接する共振器で異なるので、その向きによって（交差する角度によって）、隣接する共振器間の結合の強さを定めることもできる。
【００４９】
（Ｃ）に示す例では、５列３行のマトリックス状に配置した導体開口部ＡＰａａ〜ＡＰｃｅを設け、それらの誘導性領域として作用する導体開口部の間を格子状に結ぶ導体開口部を設け、それらをそれぞれ容量性領域として作用させる。上記容量性領域の数が共振器の数に等しいので、この例では、２２段の共振器として作用する。
【００５０】
図１２は、第６の実施形態に係る共振器の構成を示す図である。図１２の（Ｂ）は上部の遮蔽キャップ１４を取り除いた状態での上面図、（Ａ）は（Ｂ）のＡ−Ａ部分の断面図である。また（Ｃ），（Ｄ）は各層に形成した導体層のパターンを示している。
【００５１】
（Ａ）に示すように、多層基板１２には複数の導体層と誘電体層を交互に積層して成る積層部４５を設けている。各層の導体層は（Ｃ），（Ｄ）に示したように、２種類のパターンからなる導体層４，５を交互に誘電体層を介して積層している。各導体層４，５は多層基板１２の四側面および底面に形成した遮蔽電極７に導通させている。従って、誘電体層と導体層との積層方向に何れの導体層も形成されていない領域が誘導性領域ＩＡａ，ＩＡｂとして作用する。また誘電体層を介して導体層同士が対向する領域が容量性領域ＣＡとして作用する。
そして、誘導性領域ＩＡａ，ＩＡｂに相当する導体開口部ＡＰａ，ＡＰｂに多重ステップリング共振素子として作用する導体線路集合体２′を形成している。
【００５２】
このように複数の導体層および誘電体層を積層して容量性領域ＣＡを構成することによって容量性領域のサイズを縮小化でき、より小型な共振器が得られる。
【００５３】
なお、多層基板１２の上部に導電性の遮蔽キャップ１４を取り付けることによって遮蔽構造の共振器を構成している。
上記多層基板１２は、誘電体セラミックグリーンシートに対する導電性ペーストの印刷によるパターン形成およびそのシートの積層・プレス・焼成といった一連の積層多層基板の製造方法によって製造できる。また、基板上に誘電体層と導体層を順に印刷し、焼成することによって製造する方法を採ることもできる。
【００５４】
次に、第７の実施形態に係るフィルタの構成例を図１３を基に説明する。
図１３において、（Ｄ）はフィルタの上面図、（Ａ）は（Ｄ）におけるＡ−Ａ部分の断面図である。（Ｅ）はフィルタの正面図であり、（Ｂ）は（Ｅ）におけるＢ−Ｂ部分の断面図である。また（Ｃ）は上部の遮蔽キャップ１４を取り外した状態での上面図（（Ｅ）におけるＣ−Ｃ部分の平面図）である。多層基板１２には、図１２に示した多層基板１２の構造と同様に、２種類のパターンからなる複数の導体層を誘電体層を介して交互に積層している。これにより、３つの誘導性領域ＩＡａ，ＩＡｂ，ＩＡｃおよびそれらの間を繋ぐ２つの容量性領域ＣＡａ，ＣＡｂを設けている。
【００５５】
また、（Ａ）（Ｂ）に示すように、多層基板１２の上記２つの導体層パターンの積層部分から離れた位置に入出力結合用電極８ａ，８ｂを形成している。これらの入出力結合用電極８ａ，８ｂの一方の端部は多層基板１２の側面に形成した遮蔽電極７に導通させていて、他端は入出力端子９ａ，９ｂに導通させている。この構造により、入出力結合用電極８ａ，８ｂと遮蔽電極７とによって結合ループを構成している。
【００５６】
２つの誘導性領域ＩＡａ，ＩＡｂと１つの容量性領域ＣＡａとの組が１つの（１段の）共振器として作用し、２つの誘導性領域ＩＡｂ，ＩＡｃと１つの容量性領域ＣＡｂとの組がもう１つの（２段目の）共振器として作用する。この２つの共振器の磁界分布は（Ａ）の破線で示すようになり、入出力結合用電極８ａ，８ｂはそれぞれの共振器と磁界結合する。従って、このフィルタは２段の共振器による帯域通過特性を示すフィルタとして作用する。
このようにして、小型且つＱｏの高い共振器を備えて、挿入損失の低い帯域通過特性を有するフィルタとして用いることができる。
【００５７】
なお、図９、図１０、図１１（Ｂ），（Ｃ）、図１３では、隣接する導体開口部の大きさを揃えて表したが、これらの図に示したように２つの誘導性領域と１つの容量性領域との組による共振器が複数組存在する場合に、隣接する共振器間の結合係数を定めるために、各導体開口部の大きさを異ならせても良い。前述したように、隣接する導体開口部間の大きさを変えることによって、２つの共振器間の偶モードと奇モードの周波数に差を生じさせて、その２つの共振器間の結合係数を制御することができる。また、導体開口部の形状を定めることによっても同様にして２つの共振器間の結合係数を制御することができる。
【００５８】
次に第８の実施形態に係る共振器について図１４を基に説明する。
図１に示した例では、誘電体基板１の誘導性領域として作用する導体開口部に備えるステップリング共振素子は、導体線路２の一方の端部を自らの他方の端部に近接させて単数の導体線路で環状の共振単位を構成したが、共振単位を構成する導体線路は単数である必要はなく複数であってもよい。すなわち、１つの共振単位を複数の導体線路で構成することとし、導体線路２の一方の端部を同じ共振単位を構成する他の導体線路の端部に近接させるように構成してもよい。これにより、一つの共振単位が複数の容量性領域と複数の誘導性領域を持つようになる。例えば図１４に示すように、２つの導体線路で環状の共振単位を構成してもよい。図１４の（Ａ）に示す例では、誘電体基板１の表面に２ａ，２ｂで示す２つの導体線路をそれぞれ半周以上周回した形状としている。同様にして一周する間に３つの容量性領域を持つように各導体線路を１／３周を越える程度の角度範囲を周回した形状としてもよい。
【００５９】
図１４の（Ａ）では、導体線路２ａの一方の端部ｘａ１と導体線路２ｂの一方の端部ｘｂ１とを幅方向に近接させている。同時に、導体線路２ａの他方の端部ｘａ２と導体線路２ｂの他方の端部ｘｂ２とを幅方向に近接させている。この２組の端部同士の近接する領域で２つの容量性領域を形成している。したがって、導体線路２ａ，２ｂがそれぞれ両端開放の半波長線路として作用する。
【００６０】
図１４の（Ｂ）は、図１４の（Ａ）に示した共振単位を２つ設けて共振器を構成した例である。導体線路２ａの両方の端部と導体線路２ｂの両方の端部がそれぞれ幅方向に近接して２つの容量性領域を形成し、導体線路２ｃの両方の端部と導体線路２ｄの両方の端部がそれぞれ幅方向に近接して２つの容量性領域を形成している。このようにして図１４（Ｂ）で４つの破線の楕円で囲んだ部分に容量性領域を形成している。また、各共振単位の導体線路の一方の先端と、それに隣接する他の共振単位の導体線路の一方の先端とが、Ｇで示す位置で所定間隙を隔てて向き合うように各導体線路２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄを配置している。この配置によって２つの共振単位の隣接位置で導体線路同士の間隔を一定にしている。したがって、導体線路全体にわたって縁端効果による電流集中を緩和することができ、その分導体損失が抑えられる。
【００６１】
このように１つの共振単位を複数の導体線路で構成した多重ステップリング共振素子は、図５に示したような共振素子１００に適用してもよい。
なお、上述の各実施形態に示した例では、ステップリング共振素子を構成する導体線路２の端部同士を線路の幅方向に近接させたが、それを誘電体層を介して厚み方向に近接させるように構成してもよい。
【００６２】
次に、第９の実施形態に係るデュプレクサと通信装置の構成を示す。
図１５の（Ａ）はデュプレクサのブロック図である。ここで、送信フィルタと受信フィルタは、それぞれ図１３に示した構成からなる。送信フィルタＴｘＦＩＬと受信フィルタＲｘＦＩＬの通過帯域は、それぞれの帯域に合わせて設計する。また、送受共用端子としてのアンテナ端子への接続は、送信信号の受信フィルタへの回り込み、および受信信号の送信フィルタへの回り込みを防止するように位相調整する。
【００６３】
図１５の（Ｂ）は、通信装置の構成を示すブロック図である。ここで、デュプレクサＤＵＰとしては（Ａ）に示した構成のものを用いる。回路基板上には、送信回路Ｔｘ−ＣＩＲと受信回路Ｒｘ−ＣＩＲを構成していて、デュプレクサＤＵＰの送信信号入力端子に送信回路Ｔｘ−ＣＩＲが接続され、デュプレクサＤＵＰの受信信号出力端子に受信回路Ｒｘ−ＣＩＲが接続され、且つアンテナ端子にアンテナＡＮＴが接続されるように、上記回路基板上にデュプレクサＤＵＰを実装する。
【００６４】
【発明の効果】
この発明によれば、開口の広い少なくとも２つの誘導性領域と、開口の狭い容量性領域とでスロット共振器を構成するとともに、その誘導性領域に結合する共振器を備えたことにより、導体の縁端部分に生じる縁端効果および導体表面に生じる表皮効果がそれぞれ緩和されて導体損失が低減される。その結果、小型且つＱｏの高い共振器が得られる。
【００６５】
また、この発明によれば、誘導性領域同士をつなぐ容量性領域を、誘電体層と該誘電体層によって一部が厚み方向に間隙をもって積層された複数の導体層とで構成したことにより、限られた面積内に所定容量を生じさせて、インピーダンスのステップ比を高めることができ、その分小型化できる。また、同一層内で導体膜に設ける開口の狭い部分で容量性領域を構成する場合に比べて導体膜のパターン形成精度によるバラツキを抑え、共振周波数の精度を高めることができる。
【００６６】
また、この発明によれば、誘導性領域と容量性領域とをそれぞれ複数個設けるとともに、誘導性領域同士を容量性領域で接続してなる組を複数組設けたことによって、単一の基板に多数の共振器が高集積化できる。
【００６７】
また、この発明によれば、上記のいずれかに記載の構成からなる共振器と、その共振器に結合する信号入出力手段とを備えたことにより、小型で且つ低挿入損失のフィルタ特性が得られる。
【００６８】
また、この発明は、上記共振器またはフィルタを備えて通信装置を構成することにより、上記共振器またはフィルタを設けた高周波回路部が小型化でき、小型の通信装置が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施形態に係る共振器の構成を示す図
【図２】同共振器におけるステップリング共振素子の電界分布および電流強度の分布を示す図
【図３】同共振器の等価回路図
【図４】同共振器における多重ステップリング共振素子の付与による導体Ｑの改善効果を示す図
【図５】第２の実施形態に係る共振器の構成を示す図
【図６】共振素子を実装することによるＱ向上効果を測定するための共振器の構成を示す図
【図７】図６に示した共振器に共振素子を実装した状態を示す図
【図８】スロット共振器に対する多重ステップリング共振素子の電流比率とＱ向上効果との関係を示す図
【図９】第３の実施形態に係る共振器の構成を示す図
【図１０】第４の実施形態に係る共振器の構成を示す図
【図１１】第５の実施形態に係る４種類の共振器の構成を示す図
【図１２】第６の実施形態に係る共振器の構成を示す図
【図１３】第７の実施形態に係るフィルタの構成を示す図
【図１４】第８の実施形態に係る共振器の主要部の構成を示す図
【図１５】第９の実施形態に係るデュプレクサおよび通信装置の構成を示すブロック図
【図１６】従来の共振器の構成を示す図
【符号の説明】
１−誘電体基板
２−導体線路
４，５−導体層
７−遮蔽電極
８−入出力結合用電極
９−入出力端子
１０−導体膜
１２−多層基板
１４−遮蔽キャップ
４５−積層部
ＡＰ−導体開口部
ＩＡ−誘導性領域
ＣＡ−容量性領域
１００−共振素子
１３−導体膜
１５−基板
２′−導体線路集合体
ＢＤ−ボンディング部
Claims (5)
- 基板に、所定箇所を導体開口部とした導体膜を設けるとともに、導体開口部のうち相対的に開口の広い少なくとも２つの誘導性領域と、相対的に開口の狭い容量性領域とを備え、該容量性領域で前記誘導性領域同士を接続してなる共振器において、
前記誘導性領域に次の構成からなる共振素子を少なくとも１つ備えたことを特徴とする共振器。
単数または複数の導体線路からなり、容量性領域と誘導性領域とを有する環状の共振単位の、１個または複数個から構成される共振素子であって、前記導体線路は、その一方の端部が自らの他方の端部もしくは同じ共振単位を構成する他の導体線路の端部と幅方向にまたは厚み方向に近接することによって前記容量性領域を構成している。 - 誘電体層と導体層とを備えた共振器であって、
誘電体層によって一部が互いに絶縁された複数の導体層を備え、前記誘電体層と前記導体層の積層方向にいずれの導体層も形成されていない少なくとも２つの導体開口部をそれぞれ誘導性領域として構成し、前記導体層が前記誘電体層を介して積層方向に重なる部分であり且つ前記誘導性領域同士を接続する部分を容量性領域として構成するとともに、前記誘導性領域に次の構成からなる共振素子を少なくとも１つ備えたことを特徴とする共振器。
単数または複数の導体線路からなり、容量性領域と誘導性領域とを有する環状の共振単位の、１個または複数個から構成される共振素子であって、前記導体線路は、その一方の端部が自らの他方の端部もしくは同じ共振単位を構成する他の導体線路の端部と幅方向にまたは厚み方向に近接することによって前記容量性領域を構成している。 - 前記誘導性領域と前記容量性領域とをそれぞれ複数個設けるとともに、誘導性領域同士を容量性領域で接続してなる組を複数組設けた請求項１または２に記載の共振器。
- 請求項１、２または３に記載の共振器と、該共振器に結合する信号入出力手段とを備えたフィルタ。
- 請求項１、２もしくは３に記載の共振器または請求項４に記載のフィルタを備えた通信装置。
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