JP2005520380A - 共振器およびマイクロストリップフィルタのための結合方法および装置 - Google Patents
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Abstract
HTSマイクロストリップフィルタにおいて共振器間に適切な結合を付与する方法および装置が開示される。1対の共振器間の一次および二次結合が利用される。任意の間隔で、一次結合は固定されるのに対し、二次結合は異なる大きさを有する。加えて、二次結合は、一次結合と同じ位相または反対の位相を有する。異なる組合せにより、大型または小型の帯域幅フィルタが、共振器間に極めて小さいかまたは極めて大きい間隔を伴わずに作られる。同じ相互結合レイアウト構成は、正または負のどちらかの結果を得るように設計される。
Description
本発明は、一般に、フィルタの分野に関し、特に、マイクロ波帯フィルタの分野に関する。さらに詳しくは、本発明は超狭帯域マイクロストリップ超伝導帯域フィルタの分野に関する。
狭帯域フィルタは、通信産業において、特にマイクロ波信号を利用する無線通信システムにとって特に有用である。時として、無線通信は、同じ地理区域内に別個の帯域で運用する2つ以上のサービスプロバイダを有する。そのような場合、1つのプロバイダからの信号が他のプロバイダの信号に干渉しないことが不可欠である。同時に、割り当てられた周波数範囲内での信号スループットは、極めて小さい損失を有していなければならない。
単一プロバイダの割り当て周波数内で、通信システムが複数の信号を処理できることが望ましい。周波数分割多元接続(FDMA)、時分割多元接続(TDMA)、符号分割多元接続(CDMA)および広帯域CDMA(b−CDMA)を含む、いくつかのそうしたシステムが利用可能である。初めの2つの多元接続方法を使用するプロバイダは、各自の割り当て周波数を複数の帯域に分割するためにフィルタを必要とする。あるいはまた、CDMA運用者も、周波数範囲を帯域に分割することから利点を得られるかもしれない。そうした場合、フィルタの帯域幅が狭くなればなるほど、チャネルはともに1つに近くなる。従って、好ましくは0.05%未満の部分帯域幅を備える、超狭帯域フィルタを製作する努力がこれまでなされてきた。
電気信号フィルタに関する付加的な考慮事項は、全体サイズである。例えば、無線通信技術の発展に伴い、セルサイズ(例えば、単一の基地局が運用する範囲の区域)はかなり小さくなっており、ひょっとすると1街区のみ、または1つの建物だけさえも範囲とするであろう。その結果、基地局プロバイダは、局のために空間を購入または賃借することが必要になるであろう。各局が多くの別個のフィルタを必要とするので、フィルタのサイズはそのような環境においてますます重要になる。従って、極めて狭い部分帯域幅および高Qを備えるフィルタを実現しつつ、フィルタサイズを最小限にすることが望ましい。
マイクロストリップフィルタは、小サイズおよび低製造コストという利点を有する。しかし、従来の金属で製作されるマイクロストリップフィルタは、特に極めて狭い帯域幅のフィルタにおいて、他の技術(例えば導波管、誘電体共振器、コムラインなど)よりも相当に大きい損失という難点がある。高温超伝導(HTS)薄膜技術により、HTS材料を用いたマイクロストリップフィルタは、極めて低い損失および優れた性能を実現できる。従って、HTSマイクロストリップフィルタの使用は、超狭帯域フィルタにとって特に有用である。
マイクロストリップ技術を狭帯域通過フィルタ設計に使用すると、共振器間の間隔は通常、共振器間の結合の量を決定する。間隔が増すにつれて、結合は減少し、従って帯域幅はより狭くなる。超狭帯域フィルタにとって、共振器間の間隔は極めて重要となる。所要の間隔を低減するための技法が先行技術において開発されてきた。例えば、すべて本発明の譲受人に譲渡されている、集中素子形共振器環境において(ザンら(Zhang, et al.)の特許文献1および、イェー(Ye)の特許文献2を参照)、また分布素子形共振器環境において(ツヅキら(Tsuzuki, et. al.)の特許文献3を参照)。これらの技法は、それぞれの環境において超狭帯域フィルタの共振器間の間隔を効果的に低減することに成功していることが認められている。しかし、その技法は、フィルタの所要帯域幅が大きくなった場合には、(同じ構造を用いて)効果的ではないかもしれない。より広い帯域幅が要求される場合、共振器間のさらに近い間隔が要求される。場合によっては、その間隔は、製造可能性、すなわちリソグラフィー、感度、歩留まりなどの観点から過度に小さくなる。
また、最小数の共振器を維持しつつより高いフィルタリジェクション性能を得るため、非隣接共振器間の結合が伝送ゼロ点を実現するため適用されることも知られている。例えば、本願の譲受人に譲渡された、1999年4月2日に出願されて出願番号09/285350を与えられた特許文献4「マイクロストリップ・クロスカップリング制御装置及び方法」を参照されたい。この出願を参照して本書に含め、本書の一部とする。これらの伝送ゼロ点は、最適フィルタ性能を実現するため重要な位置に配置される。実際の相互結合値に加えて、精確な伝送ゼロ点位置は、これらの相互結合の位相に、すなわちそれが正の相互結合かまたは負の相互結合であるかに依存する。従って、相互結合は、フィルタ性能を改善するために利用される。
従って、小型フィルタにおいて、適切な結合を実現しながら、マイクロストリップフィルタの便宜的な製作上の利点を有する超狭帯域幅フィルタの必要性が存在する。さらに、適切な結合は、フィルタの最適化された伝達応答を付与する伝送ゼロ点を導入するために非隣接共振器間の相互結合を利用するはずである。
本発明は、HTSマイクロストリップフィルタにおける共振器間に適切な結合を付与するための方法および装置を提供する。本発明は、1対の共振器間での一次および二次結合という概念を使用する。任意の間隔で、一次結合は固定されるが、二次結合は異なる大きさを有する。加えて、二次結合は、一次結合と同じ位相または反対の位相を有する。異なる組合せにより、大型または小型の帯域幅フィルタが、隣り合う共振器間の極めて小さいかまたは極めて大きい間隔を伴わずに作られる。同じ相互結合レイアウト構成は、正または負のどちらかの結果を得るように設計される。
本発明の1つの特徴は、共振器が共振器の片側からアクセス可能な両端を有するように設計されているということである。共振器内の電流の流れのため、共振器の2端を同じ側に向けることにより、一次および二次結合が、比較的単純な設計変更によって互いに加算または減算されることを可能にする。別の特徴は、共振器の第1端部を、共振器の第2端部よりも著しく大きい隣り合う共振器とのインタフェースを備えて配列構成することを含む。共振器間の一次結合は一般に、隣り合う共振器との共振器の第1の大きいインタフェース端と関係づけられる。二次結合は一般に、隣り合う共振器との共振器の第2の小さいインタフェース端と関係づけられるが、二次結合はまた、付加的なカップリングストリップによっても支援される。
従って、本発明の1つの態様によれば、電気信号のフィルタにおいて使用される形式の共振器装置であって、第1端部および第2端部を有する、第1の共振器と、第2の共振器とを含み、第1端部および第2端部は第1の共振器の同じ側で第2の共振器の近傍に位置するように配列構成されており、第2の共振器からの第1端部の距離は第1および第2の共振器間で一次結合を生じ、第2端部の距離および長さは第1および第2の共振器間の二次結合を生じ、それによって、第1および第2の共振器の互いからの全距離は、一次または二次結合のどちらかを制御することによって最適化される、共振器装置が提供される。
本発明のさらなる態様によれば、前段落に従った以下の付加的な特徴のうちの1つ以上が提供され、第1および第2の共振器はHTSマイクロストリップ構成で製作されており、第1端部は、第2端部よりも著しく大きい第2の共振器とのインタフェースを付与するように配列構成されており、第2端部を第2の共振器に結合するカップリングストリップをさらに含み、および/または、マイクロストリップトポロジーはMgO、LaAlO3、Al2O3またはYSZのいずれかの誘電基板を含む。
本発明の別の態様によれば、電気信号のフィルタであって、複数の共振器を含み、少なくとも1つの共振器は第1端部および第2端部を有しており、第1端部および第2端部は少なくとも1つの第1の共振器の同じ側で第2の共振器の近傍に位置するように配列構成されており、第2の共振器からの第1端部の距離は少なくとも第1および第2の共振器間で一次結合を生じ、第2端部の距離および長さは少なくとも第1および第2の共振器間の二次結合を生じ、それによって、互いからの少なくとも第1および第2の共振器の全距離は、一次または二次結合のどちらかを制御することによって最適化される、電気信号のフィルタが提供される。
本発明のさらに別の態様によれば、電気信号のフィルタであって、第1の共振器と、第2の共振器と、第1および第2の共振器間のカップリングストリップとを含み、第1の共振器および第2の共振器は第1および第2の共振器間に一次結合および二次結合を有しており、互いからの第1および第2の共振器の全距離は一次結合を確立し、カップリングストリップと第1および第2の共振器のオーバラップとの間の距離は二次結合を確立し、それによって、隣り合う共振器間の距離は一次または二次結合のどちらかを制御することによって最適化される、電気信号のフィルタが提供される。
本発明の付加的な態様によれば、第1および第2の共振器ならびにカップリングストリップを有する、電気信号のフィルタにおける結合を制御する方法であって、第1および第2の共振器間の所要の距離に基づき第1および第2の共振器間の一次結合を決定する工程と、第1および第2の共振器間で全体の所要の結合に到達するために所要の二次結合を決定する工程と、決定した二次結合F2を実現するために第1および第2の共振器からのカップリングストリップの長さおよび距離を決定する工程と、から成り、F2がS2a、S2b、L2aおよびL2bの関数であり、S2aがカップリングストリップと第1共振器との間の距離であり、L2aが第1の共振器に隣接配置されるカップリングストリップの長さであり、S2bがカップリングストリップと第2の共振器との間の距離であり、L2bが第2の共振器に隣接配置されるカップリングストリップの長さであり、一次結合F1がS1の関数であるとき、第1の共振器と第2の共振器との間の全結合Fは、
F=F1(S1)+F2(S2a,S2b,L2a,L2b)
で定義される、方法が提供される。
F=F1(S1)+F2(S2a,S2b,L2a,L2b)
で定義される、方法が提供される。
前段落に従った本発明のさらなる態様において、少なくとも1つの非隣接共振器および、第1の共振器と少なくとも1つの非隣接共振器との間のカップリングストリップを位置づける付加的な工程が提供される。
本発明の上記および他の利益および特徴は、本書に添付されそのさらなる一部をなす特許請求の範囲において詳細に指摘されている。しかし、本発明、その使用によって達成される利益および目的のより良好な理解のために、そのさらなる一部をなす図面および、本発明の好ましい実施形態が例示説明されている、添付説明事項について言及しなければならない。
図面において、同じ参照数字および文字は、いくつかの図にわたって対応する要素を指示する。
本発明の原理は、電気信号のフィルタリングに適用される。本発明の好ましい装置および方法は、より大きいスカートリジェクションを付与しフィルタの伝達応答曲線を最適化するために、伝送ゼロ点の配置の制御を提供する。ゼロ点を制御するために共振器素子間の結合を増減するための手段が設けられる。本発明の好ましい用途は、通信システムにおいて、より詳細には無線通信システムに存する。しかし、そのような用途は、本発明の原理に従って製作されたフィルタが使用される態様の例証となるにすぎない。
本発明は、HTSマイクロストリップフィルタにおける共振器間に適切な結合を付与するための方法および装置を提供する。本発明は、1対の共振器間の一次および二次結合を利用する。任意の間隔で、一次結合は固定されるが、二次結合は異なる大きさを有する。加えて、二次結合は、一次結合と同じ位相または反対の位相を有する。異なる組合せにより、大型または小型の帯域幅フィルタが、共振器間の極めて小さいかまたは極めて大きい間隔を伴わずに作られる。同じ相互結合レイアウト構成は、正または負のどちらかの結果を得るように設計される。
初めに図1a、1bおよび1cを見れば、これらの図は、2つの共振器間の結合がギャップサイズ“S”によって決定される、従来のマイクロストリップフィルタ区間を概括的に例示している。ギャップサイズ“S”を変えることによって、結合は増加または減少し、それによって帯域幅に影響を及ぼす。図2もまた、先行技術のマイクロストリップフィルタ区間を例示している。この図において、2つの共振器間の結合はやはりギャップサイズ“S”によって決定される。しかし、同じギャップサイズ“S”について、2つの共振器間の結合の量は、長く狭いフィンガーインターディジタルキャパシタ形態によって実現された直列キャパシタの値に応じて効果的に低減されるので、図2における結合は図1の結合とは異なる。
次に図3を見れば、2つの隣り合う共振器の概略図が例示されており、共振器は本発明の原理に従って配列構成されている。第1の共振器10と第2の共振器11との間の結合は、2つの部分から構成される。ギャップサイズS1によって制御される結合の第1の部分は、一次結合である。ギャップサイズS2および長さLの両者によって制御される結合の第2の部分は、二次結合である。2つの共振器間の全結合は、結合の第1および第2の部分の組合せである。しかし、S2およびLを固定したままS1を調整することにより、共振器長さに、すなわち共振周波数に直接影響を及ぼす。そして同じことはS2およびLを調整することにもあてはまる。
図4は、S1および/またはS2およびLの調整が共振器長さ(そしてそのために共振周波数)に影響を及ぼさない代替実施形態を例示している。第1および第2の共振器は、それぞれ20および21として識別されている。図3と同様に、2つの共振器20、21間の結合は、2つの部分から構成される。第1の部分、一次結合は、図3のそれと同じく、S1によって制御される。しかし、第2の部分、二次結合は、カップリングストリップ23によって実現される。ギャップS2a、S2bならびに長さL2aおよびL2bを調整することによって、二次結合の量は、両方の共振器の物理構造に影響を及ぼすことなく幅広い範囲内で変化する。
共振器の一次および二次結合の設計に関係する考慮事項を例証するために、図4が実例として使用することができる。共振器を変更することなく、一次結合F1はS1の関数であり、二次結合F2はS2a、S2b、L2aおよびL2bの関数である。その場合、共振器1と共振器2との間の全結合Fは、以下のようになる。
F=F1(S1)+F2(S2a,S2b,L2a,L2b) (1)
F=F1(S1)+F2(S2a,S2b,L2a,L2b) (1)
共振器として、共振器の2端に向かう電流の流れは、常に反対方向にある。例えば図4において、電流が共振器1のAに向けて流れているとすれば、電流は同時に、共振器1のBから出て流れていなければならない。同じことは両端における電荷の蓄積にもあてはまる。従って、いつでも、AおよびBは、反対符号の電荷を有する。これは、共振器、特にマイクロストリップ伝送線路共振器の性質によるものである。
従って、F1(S1)およびF2(S2a,S2b,L2a,L2b)は、異なる符号を有するはずである。共振器1と共振器2との間の全結合は、F1およびF2の相対的な大きさに依存して、F1またはF2のどちらかと同じ符号を有する。
例えば、
F≒F1(S1),|F2|≪|F1|の場合 (2)
F=0,|F2|=|F1|の場合 (3)
そして、
F=sign(F2)|F1|,|F2|=2|F1|の場合 (4)
F≒F1(S1),|F2|≪|F1|の場合 (2)
F=0,|F2|=|F1|の場合 (3)
そして、
F=sign(F2)|F1|,|F2|=2|F1|の場合 (4)
2つの共振器間のそうした広範囲の可能な結合を、特に符号を変える能力を認識することは、フィルタ設計のための多くの可能性を提供する。
狭帯域フィルタ設計の場合、大きな共振器分離は、本発明の結合相殺機能を用いて回避でき、ここに|F2|=|F1|(例えば上記の式(3)において識別される状況)である。さらに、式(1)において識別される結合値を調整することによって共振器間で均一な間隔を有することが実現可能である。より詳細には、固定したS1で、すなわち固定したF1により、F2、すなわちS2a、S2b、L2aおよびL2bを変えることによって、異なるFが実現される。
本発明の別の重要な応用は、2つの共振器間の結合の符号または位相が両者間の間隔を変えずに変えることができる、ということである。式(2)および(4)から、S1を選択して、F1が正の結合であると仮定すれば、
F*=F1−|F2| F*>0かつF1>|F2|であれば、 (5)
または、
F*=−|F2|+F1 F*<0かつ|F2|>F1であれば、 (6)
ここで、F*は所望の結合であり、|F*|<F1である。
F*=F1−|F2| F*>0かつF1>|F2|であれば、 (5)
または、
F*=−|F2|+F1 F*<0かつ|F2|>F1であれば、 (6)
ここで、F*は所望の結合であり、|F*|<F1である。
フィルタ設計における難題の1つは、非隣接共振器間で特定の正または負の相互結合を実現することである。本発明の原理に従った結合の符号を変える能力により、非隣接共振器間の同じ相互結合構造は、正または負のどちらかであるように容易に制御される。
図5a、5bおよび5cを見れば、共振器および二次結合を生成するために利用されるカップリングストリップの多くの変種が図示されている。図5aにおいて、共振器51は、共振器52に隣り合っている。共振器間の間隔S1は、図5aにおいて識別されており、固定の間隔である。カップリングストリップ53が、図4に関連して検討した通り、二次結合S2(例えば、S2a、S2b、L2aおよびL2b)を付与する。
共振器51および52は、それぞれの共振器の片側からアクセス可能な両端を有するように配列構成されている。さらに、共振器の少なくとも一方、ここでは共振器51は、他方の共振器52の方に向けられた両端54および55を有するように配列構成されている。共振器51の第1端部54は、共振器52の第2端部55よりも著しく大きい隣り合う共振器52とのインタフェースを有する。一次結合は、共振器51の第1またはより大きいインタフェース端54と隣り合う共振器52との間で生起する。二次結合は、共振器51の第2またはより小さいインタフェース端55と隣り合う共振器52との間で生起する。この場合、二次結合はカップリングストリップ53により助成される。一次結合が容量性または誘導性のどちらかであり得て、同じことは二次結合にもあてはまることは理解されるであろう。
図5bには、共振器51’および52’がカップリングストリップ53’とともに図示されている。この図において、共振器51’は、共振器51’の同じ側にあり第2の共振器52’に向けて配置されている第1端部54’および第2端部55’を備える。しかし共振器52’は、共振器の第1および第2端部が共振器52’の同じ側に配列されるレイアウトを備えない(すなわち、図5aに例示された第2の共振器52とは異なる)。
図5cには、共振器51”および52”がカップリングストリップ53”とともに図示されている。この図において、共振器51”は、共振器51”の同じ側にあり第2の共振器52”に向けて配置されている第1端部54”および第2端部55”を備える。やはり共振器52”は、共振器の第1および第2端部が共振器52”の同じ側に配列されるレイアウトを備えない(すなわち、図5aに例示された第2の共振器52とは異なる)。さらに、インターディジタル化キャパシタンス構成が、カップリングストリップ53”と第1の共振器51”および第2の共振器52”との間に構成されている。
図6には、本発明の原理を包含して製作された6極フィルタが図示されている。共振器1と共振器3との間のクロスカップリングストリップ61および共振器4と共振器6との間のクロスカップリングストリップ62は、類似形式のものである。しかし、共振器2と共振器3との間でのクロスカップリングストリップ63および、共振器4と共振器5との間でのクロスカップリングストリップ64との異なる結合のために、61および62による実際の相互結合は、反対の符号を有しており、一方は正であり、他方は負である。図7に示すように、伝送ゼロ点71は61および63による共振器1および3の間での負の相互結合によって実現されるのに対し、伝送ゼロ点72は62および64による共振器4および6の間での正の相互結合によって実現される。
当業者には明白な通り、相互結合のこの形式の原理はまた、他の形式のフィルタ構成方法論が使用される環境においても使用される。例えば、ここに記載された共振器は、所要の応答形状、フィルタ性能、レイアウト、コストなどを実現するために他の形式の共振器で使用される。また、本発明の原理がフィルタ性能を改善するために非隣接共振デバイス間の相互結合を制御するために適用されることも理解されるはずである。
本発明の多数の特徴および利益を、その構成の詳細および機能とともに説明したが、その開示は例示にすぎず、細部における変更が可能であることを理解すべきである。他の修正および変更は、当業者に自明の範囲内のものであり、添付請求の範囲に含まれる。
Claims (14)
- 電気信号のフィルタにおいて使用される形式の共振器装置であって、
a.第1端部および第2端部を有する、第1の共振器と、
b.第2の共振器と、から成り、
c.第1端部および第2端部は第1の共振器の同じ側で第2の共振器の近傍に位置するように配列構成されており、第2の共振器からの第1端部の距離は第1および第2の共振器間で一次結合を生じ、第2端部の距離および長さは第1および第2の共振器間の二次結合を生じ、もって第1および第2の共振器の互いからの全距離が一次または二次結合のどちらかを制御することによって最適化される共振器装置。 - 第1および第2の共振器はHTSマイクロストリップ方式に構成されている、請求項1の共振器装置。
- 第1端部は、第2端部よりも著しく大きい第2の共振器とのインタフェースを付与するように配列構成されている、請求項1の共振器装置。
- 第2端部を第2の共振器に結合するカップリングストリップをさらに含む、請求項1の共振器装置。
- 一次結合F1は第1および第2の共振器間の距離S1の関数であり、二次結合F2はS2a、S2b、L2aおよびL2bの関数であり、ここにS2aはカップリングストリップと第1の共振器との間の距離であり、L2aは第1の共振器に隣接して位置するカップリングストリップの長さであり、S2bはカップリングストリップと第2の共振器との間の距離であり、L2bは第2の共振器に隣接して位置するカップリングストリップの長さであって、第1の共振器と第2の共振器との間の全結合Fは、
F=F1(S1)+F2(S2a,S2b,L2a,L2b)
によって定義される、請求項4の共振器装置。 - 一次結合は容量性または誘導性のどちらかであり得て、二次結合は容量性または誘導性のどちらかである、請求項1の共振器装置。
- 一次結合は容量性または誘導性のどちらかである、請求項1の共振器装置。
- 二次結合は容量性または誘導性のどちらかである、請求項1の共振器装置。
- 少なくとも1つの非隣接共振器と、第1の共振器と少なくとも1つの非隣接共振器との間のカップリングストリップをさらに含む、請求項1の共振器装置。
- マイクロストリップトポロジーはMgO、LaAlO3、Al2O3またはYSZのいずれかの誘電基板を含む、請求項2の共振器装置。
- 電気信号のフィルタであって、
a.複数の共振器を含み、少なくとも1つの共振器は第1端部および第2端部を有しており、
b.第1端部および第2端部は少なくとも1つの第1の共振器の同じ側で第2の共振器の近傍に位置するように配列構成されており、第2の共振器からの第1端部の距離は少なくとも第1および第2の共振器間で一次結合を生じ、第2端部の距離および長さは少なくとも第1および第2の共振器間の二次結合を生じ、もって互いからの少なくとも第1および第2の共振器の全距離が一次または二次結合のどちらかを制御することによって最適化される、電気信号のフィルタ。 - 電気信号のフィルタであって、
a.第1の共振器と、
b.第2の共振器と、
c.第1および第2の共振器間のカップリングストリップとを含み、
d.第1の共振器および第2の共振器は第1および第2の共振器間に一次結合および二次結合を有しており、互いからの第1および第2の共振器の全距離は一次結合を確立し、カップリングストリップと第1および第2の共振器のオーバラップとの間の距離は二次結合を確立し、もって隣り合う共振器間の距離が一次または二次結合のどちらかを制御することによって最適化される電気信号のフィルタ。 - 第1および第2の共振器ならびにカップリングストリップを有する、電気信号のフィルタにおける結合を制御する方法であって、
a.第1および第2の共振器間の所要の距離に基づき第1および第2の共振器間の一次結合を決定する工程と、
b.第1および第2の共振器間で全体の所要の結合に到達するために所要の二次結合を決定する工程と、
c.決定した二次結合F2を実現するために第1および第2の共振器からのカップリングストリップの長さおよび距離を決定する工程と、から成り、
F2がS2a、S2b、L2aおよびL2bの関数であり、S2aがカップリングストリップと第1の共振器との間の距離として定義され、L2aが第1の共振器に隣接して位置するカップリングストリップの長さであり、S2bがカップリングストリップと第2の共振器との間の距離であり、L2bが第2の共振器に隣接して位置するカップリングストリップの長さであり、一次結合F1がS1の関数であるとき、第1の共振器と第2の共振器との間の全結合Fは、
F=F1(S1)+F2(S2a,S2b,L2a,L2b)
で定義される、方法。 - 少なくとも1つの非隣接共振器および、第1の共振器と少なくとも1つの非隣接共振器との間のカップリングストリップを位置づける工程とをさらに含む、請求項13の方法。
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