JP2005217597A - 差動信号用帯域通過フィルター及びこれを複数備える多周波アンテナ - Google Patents

Abstract

【課題】 差動信号で信号が伝送される装置であって広帯域な通過域をもつ装置に好適な差動信号用帯域通過フィルターを提供する
【解決手段】 誘電体９の内層の２つの面Ｐ１，Ｐ２にそれぞれ線路１，２と線路３，４を設ける。各２本の線路は同一対象面Ｃに関して対称に配置されかつ各線路長は使用帯域の中心周波数で波長の１／４である。５，６は線路１，２の入出力端子、７，８は線路３，４の入出力端子である。入出力端子の反対側は開放端である。端子５，６に差動信号を入力すると、端子７，８に差動出力が現れる。この装置は帯域通過フィルタとして動作する。
【選択図】 図１

Description

この発明は、高速の伝送を可能にする超広帯域無線方式などに適用可能な差動信号用帯域通過フィルター及びこれを複数備える多周波アンテナに関する。

近年無線ＬＡＮ、ブルートゥース（商標）等の近距離無線インターフェースが広く使用されるようになってきているが、さらに高速の伝送を可能にする超広帯域無線方式（ＵＷＢ）が次期システムとして注目されている。各国で仕様の検討が進められている最中であるが、その使用周波数として米国では３．１〜１０．６ＧＨｚの間で比較的大きな出力が認められている。いずれにしてもこのＵＷＢシステムは非常に広帯域の周波数を使用するため１００Ｍｂｐｓ以上の高速の無線伝送が可能である。
小西良弘 「高周波・マイクロ波回路の構成法」 総合電子出版社 第２版 ｐｐ６３−１１７

上記ＵＷＢシステムに用いられるアンテナは非常に広帯域の信号を伝送するものであるが、当該アンテナはＵＷＢの周波数帯域より広い範囲で電波を受信することができる。そのため帯域外の雑音も受信し、その結果雑音が大きくなるという問題がある。これを解決するために、超広帯域アンテナに適するフィルターが求められている。
そこで、本発明は、超広帯域アンテナに適する差動信号用帯域通過フィルター及びこれを複数備える多周波アンテナを提供するものである。

本発明に係る差動信号用帯域通過フィルターは、誘電体と、前記誘電体の表面又はその内部の第１の面に、前記第１の面と交差する対象面に関して互いに対称に配置された第１の線路及び第２の線路と、前記誘電体の他の表面又はその内部の他の面であって前記第１の面に対向する第２の面に、前記対象面に関して互いに対称に配置された第３の線路及び第４の線路とを備え、
前記第１の線路乃至前記第４の線路それぞれを、使用帯域の中心周波数で波長の４分の１に相当する線路長とし、
前記第１の線路乃至前記第４の線路それぞれの一方の端を入出力端とし、それぞれの他端を開放端とし、
前記第１の線路及び前記第２の線路の前記入出力端と前記第３の線路及び前記第４の線路の前記開放端が近接するように配置されたものである。
なお、波長の４分の１に相当する線路長とは、０．２５波長のみならず０．７５波長、１．２５波長、１．７５波長、・・・を含む趣旨である。以下、同様である。

さらに、遮断すべき周波数において波長の４分の１に相当する線路長をもち、一端が開放された線路を前記第１の線路又は前記第３の線路に接続し、遮断すべき周波数において波長の４分の１に相当する線路長をもち、一端が開放された線路を前記第２の線路又は前記第４の線路に接続するようにしてもよい。

本発明に係る差動信号用帯域通過フィルターは、誘電体と、前記誘電体の表面又はその内部の第１の面に、前記第１の面と交差する対象面に関して互いに対称に配置された第１の線路及び第２の線路と、前記誘電体の他の表面又はその内部の他の面であって前記第１の面に対向する第２の面に、前記対象面に関して互いに対称に配置された第３の線路及び第４の線路と、前記第１の面に前記対象面に関して互いに対称に配置された第５の線路及び第６の線路とを備え、
前記第１の線路、前記第２の線路、前記第５の線路及び前記第６の線路それぞれを使用帯域の中心周波数で波長の４分の１に相当する線路長とし、
前記第３の線路及び前記第４の線路それぞれを使用帯域の中心周波数で波長の２分の１に相当する線路長とし、
前記第１の線路、前記第２の線路、前記第５の線路及び前記第６の線路それぞれの一方の端を入出力端とし、それぞれの他端を開放端とし、
前記第３の線路及び前記第４の線路それぞれの両端を開放端とし、
前記第１の線路と前記第５の線路はその開放端同士が隣接して縦続配置されるとともに、いずれも前記第３の線路に対向して配置され、
前記第２の線路と前記第６の線路はその開放端同士が隣接して縦続配置されるとともに、いずれも前記第４の線路に対向して配置されたものである。

さらに、遮断すべき周波数において波長の４分の１に相当する線路長をもち、一端が開放された線路を、前記第１の線路と前記第５の線路の開放端同士の接続点近傍において前記第３の線路に接続し、遮断すべき周波数において波長の４分の１に相当する線路長をもち、一端が開放された線路を、前記第２の線路と前記第６の線路の開放端同士の接続点近傍において前記第４の線路に接続するようにしてもよい。

前記第１の線路及び前記第２の線路の前記入出力端に予め定めた周波数よりも高い周波数の信号を遮断する低域通過フィルターをそれぞれ設けるようにしてもよい。前記第５の線路及び前記第６の線路の前記入出力端に前記低域通過フィルターをそれぞれ設けるようにしてもよい。両者は実質的に同じものである。

本発明に係る多周波アンテナは、差動信号により動作する広帯域アンテナと、前記広帯域アンテナの給電点に並列に接続された第１の帯域通過フィルター及び第２の通過フィルターとを備えるものである。前記第１の帯域通過フィルター及び／又は前記第２の通過フィルターは、上記いずれかの差動信号用帯域通過フィルターである。

本発明によれば、自己補対アンテナのような差動信号で信号が伝送される装置であって広帯域な通過域をもつ装置に好適な差動信号用帯域通過フィルターを提供できる。本発明に係る差動信号用帯域通過フィルターは、小型かつ低価格である。

発明の実施の形態１．
発明の実施の形態１に係る差動信号用帯域通過フィルターについて図面を参照して説明する。まず、本差動信号用帯域通過フィルターの構造について述べ、次に本差動信号用帯域通過フィルターの動作原理及びその特性について説明する。

図１（ａ）及び同図（ｂ）に発明の実施の形態１に係るフィルターの構造を示す。図１（ａ）はフィルターの平面図を示し、図１（ｂ）は平面図に示された線における断面を矢印Ａ−Ａ方向に見た断面図（Ａ−Ａ矢視断面図）を示す。これらの図において、１は第１の線路、２は第２の線路、３は第３の線路、４は第４の線路である。５は第１の線路１の入出力端、６は第２の線路２の入出力端である。入出力端５，６は対になっていて第１の差動入出力端を構成する。第１の線路１と第２の線路２の入出力端５，６の反対側の端は電気的に開放されている。７は第３の線路３の入出力端、８は第４の線路４の入出力端である。入出力端７，８は対になっていて第２の差動入出力端を構成する。第３の線路３と第４の線路４の入出力端７，８の反対側の端も電気的に開放されている。９は誘電体、１０は誘電体９の両面に設けられた接地電極である。

Ｃは誘電体９をほぼ垂直に貫く対象面である。Ｐ１は誘電体９内部の第１の面、Ｐ２は第１の面Ｐ１の下側の第２の面である。第１の面Ｐ１と第２の面Ｐ２は互いにほぼ平行であり、これらの面Ｐ１，Ｐ２は誘電体９の表面や接地電極１０ともほぼ平行である。なお、対称面Ｃ、第１の面Ｐ１及び第２の面Ｐ２は理解しやすいように示したものであり、実際にこのような面が存在するわけではない。なお、図１のフィルターを誘電体基板の積層により製造する場合には、第１の面Ｐ１及び第２の面Ｐ２は誘電体基板の表面として存在することも有り得る。

図１（ａ）において第３の線路３、第４の線路４及び入出力端７，８を点線で示しているが、これは第１の線路１及び第２の線路２が設けられている第１の面Ｐ１の下側にそれらが位置していることを示している。図１（ｂ）との関係で言えば、第１の線路１、第２の線路２及び入出力端５，６の上側にも誘電体９と接地電極１０が存在するから、それらも点線で示されるべきであるが、図面の見易さを考慮して実線で示している。

第１の線路１及び第２の線路２は、誘電体９の内部の第１の面Ｐ１上に（誘電体９の一方の表面であってもよい）、対象面Ｃに関して互いに対称に配置される。第３の線路３及び第４の線路４は、誘電体９の内部の第２の面Ｐ２上に（誘電体の他方の表面であってもよい）、対象面Ｃに関して互いに対称に配置される。第１の線路１乃至第４の線路４の線路長は、それぞれ、使用帯域の中心周波数で波長の４分の１に相当する。すなわち、これらの線路長は０．２５波長、０．７５波長、１．２５波長、１．７５波長、・・・である。本発明の実施の形態に係るフィルターの特性は上記のような０．５波長きざみで繰り返す。以下の説明においても同様である。ちなみに０．５波長の差で後述のＳ１１は同じ振幅で同じ位相（Ｓ１１）に、後述のＳ２１は振幅が同じで１８０度ずれた位相（−Ｓ２１）になる。Ｓ２１は位相が反転していても通過量（Ｓ２１の絶対値の２乗）が同じであれば同様に動作する。第１の線路１乃至第４の線路４それぞれの一方の端は入出力端５乃至８とされ、それぞれの他端は開放されている。第１の線路１及び第２の線路２の入出力端５，６と第３の線路３及び第４の線路４の開放端が隣接している（図１（ａ）において左側に位置している）。第３の線路３及び第４の線路４の入出力端７，８と第１の線路１及び第２の線路２の開放端が隣接している（図１（ｂ）において右側に位置している）。したがって、図１（ａ）の左側の入出力端５，６に入力した信号は第１の線路１及び第２の線路２、第３の線路及び第４の線路４を通って右側の入出力端７，８に出力されることになる。入出力端５，６に信号を入力すれば、入出力端７，８に出力が現れる。

図１の本差動信号用帯域通過フィルターの第１の差動入出力端５，６あるいは第２の差動入出力端７，８に差動信号を入力し、他方の差動入出力端から本帯域通過フィルターで帯域制限された差動信号を取り出すことができる。

第１の面Ｐ１及び第２の面Ｐ２に配された、対称面Ｃに関し対称な各２線路１乃至４により構成される４線路結合線路で本差動信号用帯域通過フィルターは実現される。この４線結合線路は図１（ｂ）に示すように両側に接地電極１０，１０を有しても良いし、図２（ａ）に示すように接地電極をもたず、第１の線路１乃至第４の線路４が誘電体９の中に埋め込まれていてもよい。あるいは、図２（ｃ）に示すように第１の線路１乃至第４の線路４が誘電体９の両側表面にあっても良いし（この場合、第１の面Ｐ１と第２の面Ｐ２は誘電体９の表面と裏面になる）、あるいは、図２（ｂ）に示すように片側のみ埋め込まれて片側は表面にあってもよい。

本発明の実施の形態１に係る差動信号用帯域通過フィルターによれば、差動信号に対して帯域通過フィルターとなると同時にインピーダンス変換機能を持つ回路を実現できる。また線路のみで構成されるため、小型で、量産性に富み、コストも安いという長所を有する。

次に本差動信号用帯域通過フィルターの動作原理及びその特性について説明する。
図３において、ａ、ｂ、ｃ、ｄは各々第１の線路１、第２の線路２、第３の線路３、第４の線路４を示す。このように定義すると、図１の４線路結合線路における各電極間の静電容量はＣｘ，Ｃｘｙ（ｘ、ｙ＝ａ，ｂ，ｃ，ｄ）のように表現できる。ここでＣｘは電極ｘと接地間容量を、Ｃｘｙは電極ｘ、ｙ間の容量を示す。これら静電容量を図３中に示す。

発明の実施の形態１の４結合線路の動作を以下に説明する。図３で定義された電極間容量を用いて以下のようなＣ行列を定義する。（参考文献：小西良弘 高周波・マイクロ波回路の構成法 総合電子出版社 第２版 ｐｐ６３−１１７）

ここで 対称性から Ｃａ＝Ｃｂ Ｃｃ＝Ｃｄ Ｃａｃ＝Ｃｂｄ Ｃａｄ＝Ｃｂｃ。
従って未知数は９個から４個減り Ｃａ，Ｃｃ，Ｃａｂ，Ｃａｃ，Ｃａｄ，Ｃｃｄの５個になる。

この線路のＹ行列は、等方性媒質中では以下のように与えられる。今考えているのは誘電体基板上のレッヘル線、マイクロストリップも含むのでモードにより速度が異なるため、一般には厳密には成り立たないが近似的には成立する。今損失は小さいとして無損失線路で考えるとＹ行列は以下のように与えられる。

ｖｐは位相速度を示す。Ｙ行列は８ｘ８の正方行列である。
ここで線路１，２の右端は開放、線路３，４の左端も開放の条件と奇モードに対する以下の条件を加えて終端されている４端子間の４端子行列を求める。
４端子であるが、奇モードを前提としているため２つの端子は残る２つの端子と電圧、電流とも逆相なため消去できて結局２端子間の電圧電流の関係（２ｘ２行列）で表現できることになる。
以下その表現を求める。今この８端子をａ，ｂ，ｃ，ｄ，ｅ，ｆ、ｇ、ｈとして左端でｃ、ｄを開放、右端でｅ、ｆを開放した場合の差動信号に対する応答を考える。この条件下では以下の等式が成り立つ

ｋｚＺ＝θとおくと

ここで（３）、（４）式は（２）を考慮すると符号がすべて反転しているだけであり（３）式のみでよいことがわかる。同様に（６）、（８）、（１０）式は（５）、（７）、（９）式と同じであり不要になる。そこで必要な式のみを取り出し（２）を代入すると以下のようになる。

これらの式からＶａ，Ｊａ，Ｖｇ，Ｉｇの関係を求めればよいのでＶｃ，Ｖｅ，を消去すればよい。
計算結果は以下のようになり、差動信号に対する入出力の電圧電流の式が以下のように求まる。

これをＺ行列で表すと以下のようになる。

このＺ行列を用いて、入力終端Ｚｉｎ、出力終端Ｚｏｕｔの場合のＳ行列を求める。

で与えられる。
Ｓ行列をＣ行列要素で表すと以下のようになる。

今線路長がλ／４のとき θ＝π／２ ｃｓｃ（θ）＝１ ｃｏｔ（θ）＝０ Ａは純虚数なので

従って

とすればＳ１１＝Ｓ２２＝０
このとき、Ｃａｃ−ＣａｄはＡの絶対値と（ＺｉｎＺｏｕｔ）の平方根の積に等しい。Ｃａｃは前の構造では上下に対向する電極、Ｃａｄは斜めに対向する電極なので、Ｃａｃ＞Ｃａｄのため反対符号は解にならない。

となり１００％通過する。
一方、線路長が０またはλ／２のとき ｃｓｃ（θ）＝無限大、ｃｏｔ（θ）＝無限大となるが （ｃｓｃ（θ）／ｃｏｔ（θ））の絶対値の２乗は１に収束する。
従って

となりすべて反射し通過は０となる。
これを周波数で考えるとλ／４となる周波数ｆ０では通過、ＤＣおよび２ｆ０では阻止となり帯域通過型の特性となる。実際の値を入れた場合の周波数特性の例を図４に示す。

がＳ１１＝Ｓ２２＝０の条件であるが、これは線路間の容量を制御すると任意の入出力インピーダンスと整合できることを意味し、差動信号のインピーダンスの変換に用いることができることを示す。従って発明の実施の形態１の４結合線路は帯域通過フィルターの機能とインピーダンス変換機能の２つを併せ持っている。

上記式の有効性を確認するため電磁界シミュレーションで帯域通過フィルターの特性を確認した結果を図４に示す。図４は本発明の実施の形態１に係る差動信号用帯域通過フィルターの特性例を示す。図４（ａ）は広帯域帯域通過フィルターの特性例を示し、図４（ｂ）は狭帯域帯域通過フィルターの特性例を示す。

図４（ａ）は、図２（ｃ）に示すように誘電体９の両側に線路が配された例で、線路１，２の上及び線路３，４の下は誘電率１の空気になっている。誘電体９は厚さ０．１ｍｍ、誘電率１０．２である。４線路の寸法はすべて等しく０．４ｍｍ＊３．８ｍｍ、線路間隔０．１ｍｍである。第１の線路１と第３の線路３と、第２の線路２と第４の線路はそれぞれ上下に重なっている。なお負荷インピーダンスは入出力とも６４．６Ωである。図４（ａ）によれば３〜１１ＧＨｚ程度が通過域となっており超広帯域フィルターを実現できている。

図４（ｂ）も、図２（ｃ）に示すように誘電体９の両側に線路が配された例で、線路１，２の上及び線路３，４の下は誘電率１の空気になっている。誘電体９は厚さ０．４ｍｍ、誘電率３．６である。４線路の寸法はすべて等しく０．４ｍｍ＊５．８５ｍｍ、線路間隔０．１ｍｍである。第１の線路１と第３の線路３と、第２の線路２と第４の線路はそれぞれ上下に重なっている。なお負荷インピーダンスは入出力とも３４．１Ωである。図４（ｂ）によれば７．５〜８．５ＧＨｚ程度の幅約１ＧＨｚが通過域となっており比較的狭広帯域フィルターを実現できている。遮断特性はやや悪いが、この点は縦続接続することで容易に改善できる。

発明の実施の形態２．
ＵＷＢの通信方式は、伝送電力を小さくして他の無線システムとの干渉を抑止している。しかし同じく個人用途に用いられる５ＧＨｚ帯無線ＬＡＮシステムは、同一室内にある場合もあり、この場合は干渉が起きることが確認されている。これを避けるため、無線ＬＡＮに用いられている５〜６ＧＨｚ帯はＵＷＢは電波を出さないようにすることも検討されている。発明の実施の形態２はそのような用途に用いるためのものであり、発明の実施の形態１に係る広帯域帯域通過フィルターに、その帯域内の一部の周波数を急峻に遮断し、しかも他の帯域への影響を最小限に抑えられる帯域阻止フィルターを備えたものである。

図５に発明の実施の形態２に係る帯域阻止フィルター付の差動信号用帯域通過フィルターの平面図を示す。図５において、図１と同一部分には同じ符号を付している。図５を図１と対比すれば容易にわかるように、図５のフィルターは、図１のフィルターの第３の線路３と第４の線路４に帯域阻止フィルター２１を追加したものである。

帯域阻止フィルター２１は、遮断したい周波数において波長の１／４（具体的には、０．２５波長、０．７５波長、１．２５波長、１．７５波長、・・・）の長さとなる、他端が開放された一対の線路である。帯域阻止フィルター２１は、第３の線路３と第４の線路４の一端に並列に設けられている。図５において、線路２１を第３の線路３と第４の線路４に接続しているが、第１の線路１と第２の線路２に接続してもよい。図５のフィルターにおいても、一方の入出力端子５，６（又は７，８）に差動信号を入力し、他方の入出力端子７，８（又は５，６）から差動信号を取り出す。

発明の実施の形態２に係る差動信号用帯域通過フィルターの動作について図５を参照して説明する。第１、第２の線路１，２及び第３、第４の線路３，４は発明の実施の形態１に係る４線路帯域通過フィルターを構成している。遮断したい周波数の差動信号が５，６から入った場合、帯域阻止フィルター２１が接続された第３の線路３及び第４の線路４において、他端が開放された４分の１波長の長さによりショートのインピーダンスが並列に加わるため、帯域阻止フィルター２１の接続点においてインピーダンスはショートとなり、この点で信号は全反射され、従ってその周波数は通過できなくなる。図５は帯域阻止フィルターとなる。

発明の実施の形態２に係る帯域阻止フィルター付の差動信号用帯域通過フィルターによれば、帯域通過フィルターの機能に加え、遮断したい周波数を選択的に大きく減衰させることができる。

発明の実施の形態３．
発明の実施の形態３のフィルターは、発明の実施の形態１に係る広帯域帯域通過フィルターを２つ縦続接続するとともに、その帯域内の一部の周波数を急峻に遮断し、しかも他の帯域への影響を最小限に抑えられる帯域阻止フィルターを縦続接続点に備えたものである。発明の実施の形態３のフィルターは、発明の実施の形態１、２のフィルターと異なる構造をもつ。

図６は本発明の実施の形態３に係るフィルターの平面図を示す。１１、１２は第１面に配置された第１の線路、第２の線路である。第１の線路１１、第２の線路１２はそれぞれ使用帯域の中心周波数でほぼ波長の４分の１に相当する線路長（０．２５波長、０．７５波長、１．２５波長、１．７５波長、・・・）をもつが、波長の４分の１よりも若干短い（例えば１／１００（０．０１）波長以上短い）。１３，１４は第２面に配置された第３の線路、第４の線路である。第３の線路１３、第４の線路１４はそれぞれ使用帯域の中心周波数でほぼ波長の２分の１に相当する線路長（０．５波長、１．５波長、２．５波長、３．５波長、・・・）をもつ。第３の線路１３、第４の線路１４のほぼ中央には１／４波長の長さの線路２１，２１がそれぞれ接続されている。

１５，１６は第１面に配置された第５の線路、第６の線路である。第５の線路１５、第６の線路１６はそれぞれ使用帯域の中心周波数でほぼ波長の４分の１に相当する線路長（０．２５波長、０．７５波長、１．２５波長、１．７５波長、・・・）をもつが、波長の４分の１よりも若干短い（例えば１／１００（０．０１）波長以上短い）。第５の線路１５、第６の線路１６は、第１の線路１１と第２の線路１２から分離されている。１７は第１の線路１１の差動入出力端子、１８は第２の線路１２の差動入出力端子、１９は第５の線路１５の差動入出力端子、２０は第６の線路１６の差動入出力端子である。端子１７と１８が一対の差動入出力端子を構成し、端子１９と２０が一対の差動入出力端子を構成する。

２１は第２面の第３の線路１３及び第４の線路１４のほぼ中央に接続された、帯域内の遮断したい周波数において４分の１波長となる長さの一対の線路である。線路２１は、線路１３，１４との接続点の反対側の端は開放されている。線路２１は帯域阻止フィルターとして機能する。

図６のフィルターにおいても、一方の入出力端子１７，１８（又は１９，２０）に差動信号を入力し、他方の入出力端子１９，２０（又は１７，２０）から差動信号を取り出す。

発明の実施の形態３では、図６に示すように発明の実施の形態１の構成の帯域通過フィルターを２段縦続接続し、遮断したい周波数において波長の１／４の長さとなる他端が開放された１対の線路２１、２１を、２線路の接続点（線路１１と１５の隙間、及び、線路１２と１６の隙間）にそれぞれ並列に接続している。なお、線路１１と１５、及び、線路１２と１６を単純に接続すると、開放となっている端子も接続されてしまう。そこで、開放が維持されるように、線路１１と１５（又は線路１２と１６）を波長の４分の１よりも若干短くするとよい（例えば１／１００（０．０１）波長程度短くする）。あるいは線路１３，１４を若干長くしてもよい。

発明の実施の形態３に係るフィルターの動作を図６を用いて説明する。
第１、第２の線路１１，１２及び第３、第４の線路１３，１４の左半分は発明の実施の形態１の４線路帯域通過フィルターを構成している。同様に、第５、第６の線路１５，１６及び第３、第４の線路１３，１４の右半分は発明の実施の形態１の４線路帯域通過フィルターを構成している。したがって、図６のフィルターは、第１、第２の線路１１，１２及び第３、第４の線路１３，１４の左半分により構成される４線路帯域通過フィルターにさらに第５、第６の線路１５，１６及び第３、第４の線路１３，１４の右半分により構成されるもう一つの４線路帯域通過フィルターを縦続接続したものである。

第３の線路１３、第４の線路１４は両端が開放になっているため、これらの接続部（中央部分）のインピーダンスは帯域中心ではショートに近い低インピーダンスとなる。当該部分に帯域阻止フィルター２１、すなわち遮断したい周波数で１／４波長の線路２１が接続されている。線路２１は、その接続端の反対側が開放であるために遮断したい周波数ではショートに近い低インピーダンスとなる。一方、第３の線路１３、第４の線路１４は帯域通過フィルターの中心周波数で１／２波長となり遮断したい周波数では必ずしもショートまでにはならないが、両端が開放のため低いインピーダンスになっている。

遮断したい周波数の差動信号が入出力端子１７，１８から入った場合、第３の線路１３，第４の線路１４の端子（接続点、中央部分）に差動信号が発明の実施の形態１の説明に示すように出力されるが、線路２１によりこの点にはショートのインピーダンスが並列に加わるため、この点のインピーダンスはショートとなり、信号は全反射されてその周波数は通過できない。線路２１は帯域阻止フィルターとして機能する。そのときの阻止周波数の帯域幅は、Ｑ値が大きいほど急峻となるが帯域通過フィルターを見たインピーダンスも両端開放の中央で低インピーダンスとなっているため、負荷を含めた負荷Ｑはあまり下がらない。従って急峻な帯域通過フィルターが構成される。

図７に発明の実施の形態３に係るフィルターのシミュレーション結果を示す。誘電体は誘電率１０．２、厚さ０．１ｍｍである。各線路とも長さ３．８ｍｍ、幅０．４ｍｍで、図２（ｃ）に示すように誘電体の両面に２線路が設けられる。各線路は両面の同じ位置に重ねて配置されている。３〜１２ＧＨｚの通過帯域のなかで５〜６ＧＨｚの１ＧＨｚ帯が遮断されている。

発明の実施の形態３によれば、帯域通過フィルターの帯域内の一部周波数のみを他の周波数にはほとんど影響なく遮断することができる。特に、帯域阻止フィルターをインピーダンスの低い点、すなわち２つの帯域通過フィルターを縦続接続した場合の接続点に接続したので、Ｑ値を大きくすることができる。なお、帯域外の不要周波数を除く場合は帯域内の不要周波数への影響がさらに少ないことは言うまでもない。

発明の実施の形態４．
発明の実施の形態１〜３の分布定数線路を用いた帯域通過フィルターは一定の周波数間隔でその特性を繰り返すという特性をもつ。そのため、中心周波数（例えば６．８５ＧＨｚ）の２倍に近い上限周波数（ＵＷＢでは１０．６ＧＨｚ）をもつ場合は、次の通過域がすぐそばにあり遮断される周波数領域はわずかとなり、次の通過域による雑音の影響が無視できない。このような問題に解決するものが発明の実施の形態４に係るフィルターである。発明の実施の形態１〜３の帯域通過フィルターに低域通過フィルターを加えることで第２の通過域を遮断し、この周波帯に起因する雑音を抑止することができる。発明の実施の形態１〜３の帯域通過フィルターは差動信号を扱うものであり、２つの線路の位相は常に１８０度ずれている必要がある。発明の実施の形態４では両線路に低域通過フィルターを配置することで等しく位相を変化させ、両線路間の位相差を１８０度に保持している。

図８は発明の実施の形態４に係る低域通過フィルター付帯域通過フィルターの平面図である。図８では、図１と同一の部分には同一の符号を付している。図８のフィルターは、図１の第１の線路１〜第４の線路及び入出力端５，６に加えて、それぞれ等しい特性の低域通過フィルター４３，４４を備える。第３の線路３の入出力端は低域通過フィルター４３に接続され、第４の線路４の入出力端は低域通過フィルター４４に接続されている。４１は低域通過フィルター４３の他端に接続された端子であり、これが第３の線路３の信号の取り出し端子になる。４２は低域通過フィルター４４の他端に接続された端子であり、第４の線路４の信号の取り出し端子になる。端子４１と４２の間に差動信号が印加される。

図８のフィルターの左側の端子５，６から差動信号を入力すると帯域通過フィルターでは差動信号の１８０度の位相差は保持される。また低域通過フィルター４３，４４でも、位相は低域通過フィルター４３，４４により各線路でずれるが、その位相差は等しいので１８０度の位相差は保持されたままであり、端子４１、４２から差動信号が出力される。

発明の実施の形態１に係る帯域通過フィルターの通過域は、図４（ａ）に示すように繰り返し現れる。第１の通過域の中心周波数をｆ０、第１の通過域の最低通過周波数をｆ１、第１の通過域の最高周波数をｆ２とおくと２ｆ０の周期で通過と遮断を繰り返す。図８の低域通過フィルター４３，４４として、帯域通過フィルターの第２の通過域が遮断できるように２ｆ０＋ｆ１より低くかつｆ２より高い周波数を遮断するものを用いる。

発明の実施の形態４によれば、通過帯域は第１の通過域のみが選択される。特に帯域通過フィルターが広帯域の場合は第２の通過域は、第１の通過域のすぐそばまで来るため第２の通過域を除くことで不要帯域の雑音を除くことは効果が大きい。低域通過フィルターを第３の線路（又は第１の線路）と第４の線路（又は第２の線路）それぞれに設けたので線路間の位相差を１８０度に保つことができ、差動信号が出力される。

なお、図８では第３の線路３と第４の線路４の入出力端にそれぞれ低域通過フィルター４４，４４を設けたが、これらを第１の線路１と第２の線路２の入出力端に設けるようにしてもよい。また、発明の実施の形態３のフィルターに低域通過フィルターを設ける場合、第５の線路及び第６の線路の入出力端にそれぞれ設けるようにしてもよい。これらは実質的に同じものである。

発明の実施の形態５．
以上はＵＷＢのシステムに関し説明したが、他の通信システムにも適用できることはいうまでもない。例えば無線ＬＡＮに用いられている２．５ＧＨｚ帯、５．２ＧＨｚ帯の２周波を単一のアンテナで使用できれば便利である。広帯域アンテナを用いれば両方の周波数で使用できるアンテナは可能であり、使用する帯域は通過させ、使用しない周波数は遮断してその帯域の雑音を抑制できるアンテナがあれば非常に用途は大きい。発明の実施の形態１乃至４のフィルターを用いれば実現可能である。発明の実施の形態５に係る多周波アンテナは前記用途に対応できるもので、フィルターはアンテナの給電線をかねており小型かつ低価格にできる。

図９は発明の実施の形態５に係る２周波アンテナの平面図を示す。
２２は広帯域アンテナのパターンである。
線路２３ａ，２３ｂ、２４ａ，２４ｂ、２７、２８は発明の実施の形態３の２段の帯域通過フィルター（第１の帯域通過フィルター）である。３３ａ，３３ｂはその入出力端である。３３ａ，３３ｂは差動信号給電端子を構成する。他の入出力端は線路３１ａ，３１ｂに接続されている。図９の２３ａ，２３ｂ、２４ａ，２４ｂ、２７、２８、３３ａ，３３ｂは、図６の１１、１２、１５、１６、１３、１４、１９、２０にそれぞれ対応する。

同様に、線路２５ａ，２５ｂ，２６ａ，２６ｂ，２９，３０は２段の帯域通過フィルター（第２の帯域通過フィルター）である。３４ａ，３４ｂはその入出力端である。３４ａ，３４ｂは差動信号給電端子を構成する。他の入出力端は線路３２ａ，３２ｂに接続されている。図９の２５ａ，２５ｂ，２６ａ，２６ｂ，２９，３０、３４ａ，３４ｂは、図６の１１、１２、１５、１６、１３、１４、１７，１８にそれぞれ対応する。

第１の通過フィルターと第２の通過フィルターは、その通過帯域の違いに起因してそれぞれ大きさが異なる。なお、図９のフィルタは図６の帯域阻止フィルター２１を備えない。

３１ａ，３１ｂは、第１の帯域通過フィルターが第２の帯域通過フィルターの通過域では高インピーダンスとなるように信号の位相を回転させる平行２線路であり、３２ａ，３２ｂは逆に第２の帯域通過フィルターが第１の帯域通過フィルターの通過域で高インピーダンスになるように信号の位相を回転させる線路である。

図９の装置は、ひとつのアンテナ２２ａ，２２ｂに、第１の帯域通過フィルターと第２の帯域通過フィルターを並列に接続したものである。

次に動作について説明する。広帯域アンテナ２２ａ，２２ｂの帯域は例えば２〜１１ＧＨｚと非常に広くできているとし、第１の帯域通過フィルターと第２の帯域通過フィルターの帯域は例えば無線ＬＡＮの２．４〜２．５ＧＨｚと５．１５〜５．３５ＧＨｚの２周波のように、広域アンテナ２２ａ，２２ｂのそれよりも小さい場合を考える。発明の実施の形態３の帯域通過フィルターをこれら２周波に合わせることは、各線路長を適当に選ぶことで容易にできる。しかし第１の帯域通過フィルターと第２の帯域通過フィルターが互いに相手の通過域で相手のインピーダンスに影響を与えると、相手のアンテナの特性が劣化するという問題がある。

第１の帯域通過フィルターと第２の帯域通過フィルターの帯域は重なっていないので、相手の通過域で反射係数は大きい状態である。そこで、線路３１ａ，３１ｂを用いて第２の帯域通過フィルターの通過域において高インピーダンスとなるように信号の位相を回転させている。このようにすれば第１の帯域通過フィルターは開放された状態になり、相手の帯域内に影響を与えないようにできる。同様に、線路３２ａ，３２ｂを用いて第１の帯域通過フィルターの通過域において高インピーダンスとなるように信号の位相を回転させている。

発明の実施の形態３で述べたように、第１の帯域通過フィルターの入出力端３３ａ，３３ｂから信号を入力すると第１の帯域通過フィルターで通過する周波数のみがアンテナ２２ａ，２２ｂに伝えられる。逆にアンテナ２２ａ，２２ｂで受信した信号のうち第１の帯域通過フィルターで通過する周波数のみが入出力端３３ａ，３３ｂに現れる。第２の帯域通過フィルターについても同様である。

広帯域アンテナの構造として種種のものがあるが、例えば自己補対構造のアンテナがある。図９の２２ａ，２２ｂは自己補対構造のアンテナを示す。アンテナ２２ａ，２２ｂは対称軸ＡＳに関して左右で対称となっており、またアンテナ２２ａ，２２ｂの間にある対称点に関して１８０°回転するとアンテナ導体自身と重なり、９０°回転すると中央の間隔の部分を除きパターンのない部分と重なる自己補対構造になっている。なお、アンテナ２２ａ，２２ｂの間隔の存在のために図９のアンテナが完全な自己補対構造をもつとは言えないが、実際上自己補対アンテナと同様の作用効果を奏する。アンテナ２２ａと２２ｂの間には間隔が設けられている。間隔は、使用周波数の真空中での波長の１／１０以下（好ましくは１／３０以下）である。

発明の実施の形態５によれば、２周波を選択的に送受できる２周波アンテナを提供できる。しかも周波数選択機能を実現する第１の帯域通過フィルター及び第２の帯域通過フィルターは給電線を兼ねるため、アンテナの小型が可能でありかつ低価格で製造できる。なおここでは２周波の例をあげ給電線は２対であったが、さらに多数の給電線を設けることで３周波以上の多周波アンテナを構成することも容易にできる。

本発明は、以上の実施の形態に限定されることなく、特許請求の範囲に記載された発明の範囲内で、種々の変更が可能であり、それらも本発明の範囲内に包含されるものであることは言うまでもない。例えば、以上の説明においてＵＷＢのシステムに関し説明したが、他の通信システムにも適用できることはいうまでもない。

発明の実施の形態１に係るフィルターの構造図である。図１（ａ）はフィルターの平面図を示し、図１（ｂ）はＡ−Ａ矢視断面図を示す。 発明の実施の形態１に係るフィルターの断面図の他の例を示す。 発明の実施の形態１に係るフィルターにおける各電極間の静電容量の説明図である。 発明の実施の形態１に係るフィルターの特性例を示す。 発明の実施の形態２に係るフィルターの平面図を示す。 発明の実施の形態３に係るフィルターの平面図を示す。 発明の実施の形態３に係るフィルターの特性例を示す。 発明の実施の形態４に係るフィルターの概略図である。 発明の実施の形態５に係る２周波アンテナの平面図を示す。

符号の説明

１：第１の線路
２：第２の線路
３：第３の線路
４：第４の線路
５：第１の線路１の入出力端
６：第２の線路２の入出力端
７：第３の線路３の入出力端
８：第４の線路４の入出力端
９：誘電体
１０：接地電極
１１：第１の線路
１２：第２の線路
１３：第３の線路
１４：第４の線路
１５：第５の線路
１６：第６の線路
１７：第１の線路１１の差動入出力端子
１８：第２の線路１２の差動入出力端子
１９：第５の線路１５の差動入出力端子
２０：第６の線路１６の差動入出力端子
２１：帯域阻止フィルター
２２ａ，２２ｂ：広帯域アンテナ
２３ａ，２３ｂ、２４ａ，２４ｂ、２７、２８：第１の帯域通過フィルター
２５ａ，２５ｂ，２６ａ，２６ｂ，２９，３０：第２の帯域通過フィルター
３１ａ，３１ｂ：第１の帯域通過フィルターのアンテナ給電用線路
３２ａ，３２ｂ：第２の帯域通過フィルターのアンテナ給電用線路
３３ａ，３３ｂ：第１の帯域通過フィルターの入出力端
３４ａ，３４ｂ：第２の帯域通過フィルターの入出力端
４１：低域通過フィルター４３に接続された端子
４２：低域通過フィルター４４に接続された端子
４３：低域通過フィルター
４４：低域通過フィルター
Ｃ：誘電体９を垂直に貫く対象面
Ｐ１：誘電体９内部の第１の面
Ｐ２：誘電体９内部の第２の面
ＡＳ：対称軸

Claims (6)

1. 誘電体と、前記誘電体の表面又はその内部の第１の面に、前記第１の面と交差する対象面に関して互いに対称に配置された第１の線路及び第２の線路と、前記誘電体の他の表面又はその内部の他の面であって前記第１の面に対向する第２の面に、前記対象面に関して互いに対称に配置された第３の線路及び第４の線路とを備え、
   前記第１の線路乃至前記第４の線路それぞれを、使用帯域の中心周波数で波長の４分の１に相当する線路長とし、
   前記第１の線路乃至前記第４の線路それぞれの一方の端を入出力端とし、それぞれの他端を開放端とし、
   前記第１の線路及び前記第２の線路の前記入出力端と前記第３の線路及び前記第４の線路の前記開放端が近接するように配置されたことを特徴とする差動信号用帯域通過フィルター。
2. 遮断すべき周波数において波長の４分の１に相当する線路長をもち、一端が開放された線路を前記第１の線路又は前記第３の線路に接続し、
   遮断すべき周波数において波長の４分の１に相当する線路長をもち、一端が開放された線路を前記第２の線路又は前記第４の線路に接続したことを特徴とする請求項１記載の差動信号用帯域通過フィルター。
3. 誘電体と、前記誘電体の表面又はその内部の第１の面に、前記第１の面と交差する対象面に関して互いに対称に配置された第１の線路及び第２の線路と、前記誘電体の他の表面又はその内部の他の面であって前記第１の面に対向する第２の面に、前記対象面に関して互いに対称に配置された第３の線路及び第４の線路と、前記第１の面に前記対象面に関して互いに対称に配置された第５の線路及び第６の線路とを備え、
   前記第１の線路、前記第２の線路、前記第５の線路及び前記第６の線路それぞれを使用帯域の中心周波数で波長の４分の１に相当する線路長とし、
   前記第３の線路及び前記第４の線路それぞれを使用帯域の中心周波数で波長の２分の１に相当する線路長とし、
   前記第１の線路、前記第２の線路、前記第５の線路及び前記第６の線路それぞれの一方の端を入出力端とし、それぞれの他端を開放端とし、
   前記第３の線路及び前記第４の線路それぞれの両端を開放端とし、
   前記第１の線路と前記第５の線路はその開放端同士が隣接して縦続配置されるとともに、いずれも前記第３の線路に対向して配置され、
   前記第２の線路と前記第６の線路はその開放端同士が隣接して縦続配置されるとともに、いずれも前記第４の線路に対向して配置されることを特徴とする差動信号用帯域通過フィルター。
4. 遮断すべき周波数において波長の４分の１に相当する線路長をもち、一端が開放された線路を、前記第１の線路と前記第５の線路の開放端同士の接続点近傍において前記第３の線路に接続し、
   遮断すべき周波数において波長の４分の１に相当する線路長をもち、一端が開放された線路を、前記第２の線路と前記第６の線路の開放端同士の接続点近傍において前記第４の線路に接続したことを特徴とする請求項３記載の差動信号用帯域通過フィルター。
5. 前記第１の線路及び前記第２の線路の前記入出力端に予め定めた周波数よりも高い周波数の信号を遮断する低域通過フィルターをそれぞれ設けたことを特徴とする請求項１乃至請求項４いずれかに記載の差動信号用帯域通過フィルター。
6. 差動信号により動作する広帯域アンテナと、前記広帯域アンテナの給電点に並列に接続された第１の帯域通過フィルター及び第２の通過フィルターとを備え、
   前記第１の帯域通過フィルター及び／又は前記第２の通過フィルターは、請求項１乃至請求項５いずれかに記載の差動信号用帯域通過フィルターであることを特徴とする多周波アンテナ。
   

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