JP2007195126A - 帯域通過フィルタおよびこれを用いた無線通信機器 - Google Patents

Abstract

【課題】ＵＷＢにおいて広い通過帯域を持ち、狭い周波数幅で急峻な減衰特性が得られる小型の帯域通過フィルタおよびこれを用いた無線通信機器を提供する。
【解決手段】基本的にλ／４長さである６個の共振器を同一の誘電体層上に、それぞれの前記接地端が積層方向から見て同一方向に並設し、第一の共振器１及び第六の共振器６の非接地端が容量素子またはインダクタ素子を介してそれぞれ入力端子電極、出力端子電極に接続され、第二の共振器２から第五の共振器５までの隣り合う共振器間が磁界結合され、第一の共振器１と第二の共振器２、第一の共振器１と第三の共振器３、第六の共振器６と第四の共振器４、第六の共振器６と第五の共振器５の非接地端同士がそれぞれ容量形成部により電界結合され、第一の共振器１乃至第六の共振器６の全ての共振器の非接地端とこの非接地端に接続される容量形成部との距離が積層方向から見て略等しい。
【選択図】図１

Description

本発明は、無線通信分野のＵＷＢ（Ultra Wide Band）に好適に使用される、広帯域な通過特性でかつ急峻な減衰特性を持つ帯域通過フィルタおよびこれを用いた無線通信機器に関するものである。ＵＷＢは、外付け記憶装置、プリンタ、スキャナなどのＰＣ周辺機器のデータ伝送媒体として、あるいはデジタルテレビ、プロジェクタ、デジタルスチールカメラ、デジタルビデオカメラ等のデータ通信媒体としての利用が予想される。

近年、新しい通信手段として、ＵＷＢ（Ultra Wide Band）が着目されている。このＵＷＢは、データ通信手段の一つとして用いられる無線ローカルエリアネットワーク（以下、Ｗ−ＬＡＮという）とは、通信距離とデータ転送速度の点で異なっている。Ｗ−ＬＡＮの規格の一つであるＩＥＥＥ８０２．１１．ｂでは、通信距離３０〜１００ｍ、送信電力５００ｍＷ、通信速度約１１Ｍｂｐｓである。一方、ＵＷＢでは帯域が３．１〜４．９ＧＨｚの場合、通信距離は１０ｍと短いが、送信電力は１００ｍＷと低消費電力であり、通信速度は、通信距離１０ｍ前後で１００Ｍｂｐｓ、通信距離２ｍ以下では４８０Ｍｂｐｓであり、Ｗ−ＬＡＮに比して高速のデータ通信が可能となる。

このように、ＵＷＢの特徴の一つとしては、広帯域を用いることにより、高い伝送レートを実現することである。その比帯域（帯域幅／中心周波数）は、４０％以上であり、場合により１１０％以上となる。また、ＵＷＢの他の特徴としては、ＵＷＢの平均送信電力密度が−４１．２５ｄＢｍ／ＭＨｚ未満と低い値に規定されていることである。ここで、−４１．２５ｄＢｍ／ＭＨｚは、波源から３ｍの距離において、電界強度５４ｄＢμＶ＝５００μＶ／ｍを発生する放射電力に相当する。

屋外環境下におけるスペクトルマスクの一例をあげると、３．１６ＧＨｚから４．７５ＧＨｚまでを無線機器の帯域通過を基準（０ｄＢ）にして、３．１ＧＨｚで−２０ｄＢ未満、１．６１ＧＨｚで−３０ｄＢ未満となるように規定されている。また、実質的な使用条件においては、Ｗ−ＬＡＮ（ＩＥＥＥ８０２．１１．ａ／ｂ／ｇ）との間での干渉を防止する必要があり、２．４８ＧＨｚ、５．１５ＧＨｚのそれぞれで減衰特性が要求されている。

以上のことから、ＵＷＢの無線通信機器において、送受信信号の通過経路に挿入される帯域通過フィルタは、広帯域（比帯域が４０％以上）であること、低損失かつ高減衰をとることが要求される。

従来より、狭帯域において低損失かつ高減衰の帯域通過フィルタとして、高いＱ値が得られる水晶や圧電磁器をベース材料としたＳＡＷフィルタやＢＡＷフィルタが用いられている。これらの比帯域は中心周波数２ＧＨｚにおいて３〜４％以下であり、通過帯域は０．０６〜０．０８ＧＨｚと、ＵＷＢの帯域幅と比べて２桁ほど狭い。これらの材料における帯域幅は、水晶や圧電基板の電気機械結合係数より決まっており、この帯域幅を広げて広帯域の帯域通過フィルタとすることは材料的観点から困難であった。

そこで、一般に２〜５ＧＨｚの周波数帯域において、急峻な減衰特性をもつ帯域通過フィルタを得る手法として、Ｑ値に優れる誘電体共振器を複数個組み合わせた誘電体フィルタを用いることが知られている。しかし、誘電体フィルタでは、中心周波数３．９８ＧＨｚ、通過帯域１．６ＧＨｚ、Ｗ−ＬＡＮのある２．４８ＧＨｚ及び５．１５ＧＨｚで−３０ｄＢ未満の減衰特性を持たせる場合、サイズは約１０×３×１．５ｍｍとかなり大きくなるという問題点がある。このように、誘電体フィルタでは、広帯域化と小型化を両立できない。

また、リング共振器を３段接続して直流成分カット用のλ／４共振器を６段接続した構成によって、ＵＷＢ用の帯域通過フィルタを形成することも知られている（非特許文献１参照）。この帯域通過フィルタによると、伝送線路中にノッチを発生させるリング共振器を形成するために良好な減衰特性が得られる。しかし、この帯域通過フィルタにおいても、共振器形状がリング形状であるために小型化が難しい。
「ＵＷＢ用広帯域バンドパスフィルタの開発」 ２００４年電子情報通信学会エレクトロニクスソサイエティ大会 ｐｐ．８４

本発明は、ＵＷＢにおいて広い通過帯域を持ち、狭い周波数幅で急峻な減衰特性が得られる小型の帯域通過フィルタおよびこれを用いた無線通信機器を提供することを目的とする。

本発明は、複数の誘電体層からなる積層体の表面または裏面に入力端子電極および出力端子電極を有し、前記積層体の内部に、一端が接地端としてそれぞれ接地され、信号伝搬方向の長さが通過帯域の略中心周波数における前記誘電体層内部の伝搬波長をλとすると基本的にλ／４である導体パターンからなる６個の共振器を有してなり、該６個の共振器は、同一の誘電体層上に、それぞれの前記接地端が積層方向から見て同一方向に配置されて、第一の共振器から第六の共振器まで順に並設されており、前記第一の共振器の非接地端が容量素子またはインダクタ素子を介して前記入力端子電極に接続され、前記第六の共振器の非接地端が容量素子またはインダクタ素子を介して前記出力端子電極に接続され、前記第二の共振器から前記第五の共振器までの隣り合う共振器間が磁界結合し、前記第一の共振器および前記第二の共振器の非接地端同士、前記第一の共振器および前記第三の共振器の非接地端同士、前記第六の共振器および前記第四の共振器の非接地端同士、前記第六の共振器および前記第五の共振器の非接地端同士がそれぞれ容量形成部を介して接続されることにより電界結合し、前記第一の共振器乃至前記第六の共振器の全ての共振器の非接地端と該非接地端に接続される容量形成部との距離が積層方向から見て略等しいことを特徴とする帯域通過フィルタである。

ここで本発明の帯域通過フィルタは、前記第一の共振器および前記第六の共振器の接地端が、これらに並設された前記第二の共振器乃至前記第五の共振器における接地端の位置よりも非接地端側に所定距離ずらした位置に配置されているとともに、前記第一の共振器における非接地端に近接する部位が前記第二の共振器に向かって屈曲し、かつ前記第六の共振器における非接地端に近接する部位が前記第五の共振器に向かって屈曲しているのが好ましい。

これによれば、第一の共振器乃至第六の共振器の全ての共振器の非接地端とこの非接地端に接続される容量形成部（第一の容量形成部乃至第四の容量形成部）との距離を最短にすることが出来、帯域の周波数調整及び減衰極の周波数調整が容易になる。なお、第一の共振器と第二の共振器との間の磁界結合と、第五の共振器と第六の共振器間の磁界結合は弱いため、第一の共振器と第六の共振器の長さを変えずに、接地端を非接地端側にずらしても、帯域フィルタの特性上大きな影響はない。

また本発明の帯域通過フィルタは、前記第二の共振器における非接地端に近接する部位が第一の共振器に向かって屈曲し、かつ前記第五の共振器における非接地端に近接する部位が前記第六の共振器に向かって屈曲しているのが好ましい。さらに前記第三の共振器における非接地端に近接する部位が前記第一の共振器に向かって屈曲し、かつ前記第四の共振器における非接地端に近接する部位が前記第六の共振器に向かって屈曲しているのが好ましい。

これにより、それぞれの容量形成部（第一の容量形成部乃至第四の容量形成部）の配置を任意に調整でき、帯域通過フィルタの特性制御が容易になる。また、第一の容量形成部を第一の共振器と第二の共振器との間に、第二の容量形成部を第一の共振器と第三の共振器との間に、第三の容量形成部を第四の共振器と第六の共振器との間に、第四の容量形成部を第五の共振器と第六の共振器との間に形成でき、通過帯域フィルタの小型化が実現できる。

さらに本発明の帯域通過フィルタでは、前記容量形成部は、異なる誘電体層上に対向するように設けられた導体パターンによって積層方向に容量が形成されてなるものであり、前記第一の共振器の非接地端に接続される導体パターンと前記第二の共振器の非接地端に接続される導体パターンとの間で第一の容量形成部が形成され、前記第一の共振器の非接地端に接続される導体パターンと前記第三の共振器の非接地端に接続される導体パターンとの間で第二の容量形成部が形成され、前記第六の共振器の非接地端に接続される導体パターンと前記第四の共振器の非接地端に接続される導体パターンとの間で第三の容量形成部が形成され、前記第六の共振器の非接地端に接続される導体パターンと前記第五の共振器の非接地端に接続される導体パターンとの間で第四の容量形成部が形成されているのが好ましい。

第一の容量形成部乃至第四の容量形成部を第一の共振器乃至第六の共振器を構成する層と異なる層に形成することで、容量形成部と共振器との間での電磁界結合の発生を抑えることが出来、良好な特性を得られる。また、ビアホール導体を介することによって、第一の容量形成部乃至第四の容量形成部を複数層に構成できるため、任意の静電容量を形成でき、帯域通過フィルタの通過帯域制御及び減衰極の制御が容易になる。

特に本発明の帯域通過フィルタでは、前記第一の共振器の非接地端に接続される導体パターンの上下に前記第二の共振器の非接地端に接続される導体パターンを配置して前記第一の容量形成部が形成されるとともに、前記第一の共振器の非接地端に接続される導体パターンの上下に前記第三の共振器の非接地端に接続される導体パターンを配置して前記第二の容量形成部が形成され、前記第六の共振器の非接地端に接続される導体パターンの上下に前記第四の共振器の非接地端に接続される導体パターンを配置して前記第三の容量形成部が形成され、前記第六の共振器の非接地端に接続される導体パターンの上下に前記第五の共振器の非接地端に接続される導体パターンを配置して前記第四の容量形成部が形成されているのが好ましい。

これにより、第二の共振器から第五の共振器の結合を強めることが出来、広帯域の実現が容易になる。

さらに本発明の帯域通過フィルタは、前記第一の共振器乃至前記第六の共振器および前記第一の容量形成部乃至前記第四の容量形成部を積層方向上下から挟むように、上側グランド層および下側グランド層が設けられているのが好ましい。

上下をグランド層にて挟むことで、外部からくるノイズとの電磁界結合を防ぐことができ、さらに帯域通過フィルタが外部への干渉源とならない、強い構造を持った帯域通過フィルタを実現できる。

さらに本発明の帯域通過フィルタは、前記入力端子電極と前記出力端子電極とが容量部を介して接続されることにより電界結合しているのが好ましい。具体的には、前記容量部は異なる誘電体層上に対向するように設けられた導体パターンによって積層方向に容量が形成されてなるものであり、前記入力端子電極に接続された導体パターンが設けられている層および前記出力端子電極に接続された導体パターンが設けられている層とは異なる層に、独立した導体パターンが設けられているのが好ましい。

このように、独立した導体パターンを入力端子電極に接続された導体パターンおよび出力端子電極に接続された導体パターンと対向させて、それぞれの間に発生する容量の直列接続を実現することで、独立した導体パターンが単一パターンで作製できることから簡易かつ積層ずれに強い構造の帯域通過フィルタとすることができる。

さらに本発明は、前記帯域通過フィルタを具備する無線通信機器である。これによれば、受信感度の向上、広帯域通信、低消費電力、かつ無線ＬＡＮなどその他無線通信機器との相互干渉の防止が実現できる。

本発明によれば、第二の共振器から第五の共振器までの隣り合う共振器間が磁界結合されることによって、広帯域（通過帯域３．１６ＧＨｚ〜４．７５ＧＨｚの約１．６ＧＨｚでかつ比帯域４０％以上）にて、低損失かつ高減衰が実現できている。

ここで、第一の共振器と第二の共振器との間の強い電界結合及び弱い磁界結合の並列共振現象と、第六の共振器と第五の共振器との間の強い電解結合及び弱い磁界結合の並列共振現象によって、通過帯域の低域側に急峻な減衰極を形成できている。

また、第一の共振器と第二の共振器との間に設けられる容量形成部（第一の容量形成部）および第二の共振器と第三の共振器との間の磁界結合（インダクタンスと擬制）および第二の共振器の構成により、また第一の共振器と第三の共振器との間に設けられる容量形成部（第二の容量形成部）および第三の共振器と第四の共振器との間の磁界結合（インダクタンスと擬制）および第三の共振器の構成により、通過帯域の高域側に急峻な減衰特性を実現できている。

また、入力端子電極と出力端子電極とが容量部により電界結合されることで、この容量部を通過する信号と、入力容量から第一の共振器乃至第六の共振器、第一の容量形成部乃至第四の容量形成部および出力容量で構成される回路を通過する信号との位相が１８０°異なる周波数においてそれぞれの信号が打ち消しあって減衰極が形成される。この作用によって、低域側の減衰極を帯域側に移動させ、高域側の減衰極の一部を帯域側に移動させることができ、より急峻な減衰特性を得ることができる。

さらに、第一の共振器乃至第六の共振器の全ての共振器の非接地端と該非接地端に接続される容量形成部との距離が積層方向から見て略等しくなっていることによって、第一の共振器から第六の共振器まで計６個ある共振器の長さが、第一の容量形成部から前記第四の容量形成部を第一の共振器から第六の共振器へそれぞれ接続する導体線路の長さを含めて略等しくなり、第一共振器乃至第六の共振器の共振周波数を変えること無く、パターン化することができる。したがって、第二の共振器から第五の共振器までの隣り合う共振器間が磁界結合されることによって発生する通過帯域を、３．１６ＧＨｚから４．７５ＧＨｚに集めることができる。また、前記第二の共振器乃至前記第五の共振器及び前記第一の容量形成部乃至前記第四の容量形成部の組合せと入力電極端子及び出力電極端子の間に形成される容量部によって高域側の減衰極を５．３ＧＨｚ付近に集中させることができる。なお、低域側では２．３ＧＨｚ付近に減衰極を形成できるため、ＵＷＢで要求される通過特性及び減衰特性を高性能で実現できる。この作用により、２．４８ＧＨｚのＷ−ＬＡＮ及び５．１５ＧＨｚのＷ−ＬＡＮとの干渉による通信品質の劣化を軽減できる。

以下、本発明の実施形態を添付図面に基づいて説明する。
図１は本発明の帯域通過フィルタの一実施形態を積層方向から見た透視図であって、複数の誘電体層からなる積層体の異なる層に形成された導体パターンを重ねて図示したものである。また、図２および図３は、図１に示す帯域通過フィルタを誘電体層の各層毎に展開した説明図であり、図２は表層から８層目までを示し、図３は９層目から１２層目および裏面を示している。

本発明の帯域通過フィルタは、例えば誘電率５．０〜６０程度、厚み０．０３〜０．１ｍｍの複数の誘電体層１７が積層された積層体中に、各誘電体層を貫通するビアホール導体や各誘電体層１７の上に形成された導体パターンを含む構成からなるものである。図２および図３に示すように、本例では１２層の誘電体層になっている。

積層体の表面（表層の誘電体層上）には、入力端子電極１３および出力端子電極１５が設けられるとともに、上側グランド層としての接地パターン１４が設けられている。一方、積層体の裏面には、下側グランド層としての接地パターン１６が設けられている。

そして、一端が接地端としてそれぞれ接地され、信号伝搬方向の長さが通過帯域の略中心周波数における誘電体層内部の伝搬波長をλとすると基本的にλ／４の長さの導体パターンからなる６個の共振器（第一の共振器１、第二の共振器２、第三の共振器３、第四の共振器４、第五の共振器５、第六の共振器６）が、積層体内部の同一の誘電体層上（第７層目の誘電体層上）に形成されており、これらの６個の共振器は、それぞれの接地端が積層方向から見て同一方向に配置されて、第一の共振器１から第六の共振器６まで順に並設されている。すなわち、第一の共振器１、第二の共振器２、第三の共振器３、第四の共振器４、第五の共振器５、第六の共振器６の順に設けられている。なお、信号伝搬方向の長さが基本的にλ／４であるとは、非接地端のグランド面に対する容量である短縮容量を変化させることにより、λ／４よりも短くなる場合があるのを含むことを意味している。

第一の共振器１の一端（接地端）は、ビアホール導体２８を介して積層体の表面に形成された接地パターン１４および積層体の裏面に形成された接地パターン１６に接続されている。また、第一の共振器１の非接地端は、容量素子を介して入力端子電極１３に接続されている。具体的には、図２および図３に示すように、第一の共振器１の非接地端がこれと同一の７層目の誘電体層上に形成された導体パターン１１に導体線路２６を介して接続され、さらにこの７層目の誘電体層上の導体パターン１１がビアホール導体を介して９層目の誘電体層上の導体パターン１１に接続されている。一方、入力端子電極１３がビアホール導体を介して６層目と８層目と１０層目の誘電体層上の導体パターン１１に接続されている。それぞれの層上に形成された導体パターン１１は積層方向から見て対向するようになっている（重なり合っている）ことから、積層方向に容量を形成する容量素子（入力容量）として機能するようになっている。

第六の共振器６の一端（接地端）は、ビアホール導体３０を介して積層体の表面に形成された接地パターン１４および積層体の裏面に形成された接地パターン１６に接続されている。また、第六の共振器６の非接地端は、容量素子を介して出力端子電極１５に接続されている。具体的には、図２および図３に示すように、第六の共振器６の非接地端がこれと同一の７層目上に形成された導体パターン１２に導体線路２７を介して接続され、さらにこの７層目の誘電体層上の導体パターン１２がビアホール導体を介して９層目の誘電体層上の導体パターン１２に接続されている。一方、出力端子電極１５がビアホール導体を介して６層目と８層目と１０層目の誘電体層上の導体パターン１２に接続されている。それぞれの層上に形成された導体パターン１２は積層方向から見て対向するようになっている（重なり合っている）ことから、積層方向に容量を形成する容量素子（出力容量）として機能するようになっている。

入力容量および出力容量の形成においては、積層方向に容量を形成する様々な構造が採用できるが、本実施形態のように入力端子電極１３および出力端子電極１５に接続される導体パターンが最上下面に配置されて容量が形成される構造であるのが好ましい。なお、容量素子に限らず、インダクタ素子を介して接続することもできる。

第二の共振器２乃至第五の共振器５の一端（接地端）は相互に接続されて、ビアホール導体２９を介して積層体の裏面に形成された接地パターンに接続されている。また、第二の共振器２乃至第五の共振器５は、隣り合う共振器間が主たる結合として磁界結合されるような間隔に配置されているのに対し、第一の共振器１と第二の共振器２との間および第五の共振器５と第六の共振器６との間の間隔は、第二の共振器２から第五の共振器５までの隣り合う共振器間の間隔よりも広い間隔となっていて、これらの間の結合は弱い磁界結合となっている。

そして、第一の共振器１および第二の共振器２の非接地端同士は、第一の容量形成部を介して接続されることにより電界結合されている。具体的には、第一の共振器１の非接地端がビアホール導体で５層目と３層目の誘電体層上の導体線路１８に接続され、さらにこの導体線路１８が第一の容量形成部を構成する導体パターン７に接続されている。一方、第二の共振器２の非接地端は、ビアホール導体で２層目と４層目と６層目の誘電体層上の導体線路１９に接続され、さらにこの導体線路１９が第一の容量形成部を構成する導体パターン７に接続されている。このように、第一の容量形成部は、異なる誘電体層上に対向するように設けられた導体パターンによって積層方向に容量が形成されているのが好ましく、本例では第一の共振器１の非接地端に接続される３層目の誘電体層上の導体パターン７の上下に第二の共振器２の非接地端に接続される２層目および４層目の誘電体層上の導体パターン７を配置するとともに、第一の共振器１の非接地端に接続される５層目の誘電体層上の導体パターン７の上下に第二の共振器２の非接地端に接続される４層目および６層目の誘電体層上の導体パターン７を配置したような構造になっている。

同様に、第一の共振器１および第三の共振器３の非接地端同士は、第二の容量形成部を介して接続されることにより電界結合されている。具体的には、第一の共振器１の非接地端は、ビアホール導体で９層目と１１層目の誘電体層上の導体線路２０に接続され、さらにこの導体線路２０が第二の容量形成部を構成する導体パターン８に接続されている。一方、第三の共振器３の非接地端は、ビアホール導体で８層目と１０層目と１２層目の誘電体層上の導体線路２１に接続され、さらにこの導体線路２１が第二の容量形成部を構成する導体パターン８に接続されている。このように、第二の容量形成部は、異なる誘電体層上に対向するように設けられた導体パターンによって積層方向に容量が形成されているのが好ましく、本例では第一の共振器１の非接地端に接続される９層目の誘電体層上の導体パターン８の上下に第三の共振器３の非接地端に接続される８層目および１０層目の誘電体層上の導体パターン８を配置するとともに、第一の共振器１の非接地端に接続される１１層目の誘電体上の導体パターン８の上下に第三の共振器３の非接地端に接続される１０層目および１２層目の誘電体層上の導体パターン８を配置したような構造になっている。

第六の共振器６および第四の共振器４の非接地端同士は、第三の容量形成部を介して接続されることにより電界結合されている。具体的には、第六の共振器６の非接地端は、ビアホール導体で９層目と１１層目の誘電体層上の導体線路２２に接続され、さらにこの導体線路２２が第三の容量形成部を構成する導体パターン９に接続されている。一方、第四の共振器４の非接地端は、ビアホール導体で８層目と１０層目と１２層目の誘電体層上の導体線路２３に接続され、さらにこの導体線路２３が第三の容量形成部を構成する導体パターン９に接続されている。このように、第三の容量形成部は、異なる誘電体層上に対向するように設けられた導体パターンによって積層方向に容量が形成されているのが好ましく、本例では第六の共振器６の非接地端に接続される９層目の誘電体層上の導体パターン９の上下に第四の共振器４の非接地端に接続される８層目および１０層目の誘電体層上の導体パターン９を配置するとともに、第六の共振器６の非接地端に接続される１１層目の誘電体層上の導体パターン９の上下に第四の共振器４の非接地端に接続される１０層目および１２層目の誘電体層上の導体パターン９を配置したような構造になっている。

第六の共振器６および第五の共振器５の非接地端同士は、第四の容量形成部を介して接続されることにより電界結合されている。具体的には、第六の共振器６の非接地端は、ビアホール導体で５層目と３層目の誘電体層上の導体線路２４に接続され、さらにこの導体線路２４が第四の容量形成部を構成する導体パターン１０に接続されている。一方、第五の共振器５の非接地端は、ビアホール導体で２層目と４層目と６層目の誘電体層上の導体線路２５に接続され、さらにこの導体線路２５が第四の容量形成部を構成する導体パターン１０に接続されている。このように、第四の容量形成部は、異なる誘電体層上に対向するように設けられた導体パターンによって積層方向に容量が形成されているのが好ましく、本例では第六の共振器６の非接地端に接続される３層目の誘電体層上の導体パターン１０の上下に第五の共振器５の非接地端に接続される２層目および４層目の誘電体層上の導体パターン１０を配置するとともに、第六の共振器６の非接地端に接続される５層目の誘電体層上の導体パターン１０の上下に第五の共振器５の非接地端に接続される４層目および６層目の誘電体層上の導体パターン１０を配置したような構造になっている。

このように、第一の容量形成部乃至第四の容量形成部は、第一の共振器１または第六の共振器６の非接地端に接続される２枚の導体パターンを第二の共振器２乃至第五の共振器５の非接地端に接続される３枚の導体パターンで上下から挟むような構造、すなわち第二の共振器乃至第五の共振器の非接地端に接続される導体パターンを最上下面に配置して、積層方向から見て重なり合わせた構造となっていて、これにより、これらの導体パターンの間でより多くの容量を形成することができるとともに、接地パターン１４および接地パターン１６との関係で第二の共振器２乃至第五の共振器５の短縮容量を形成する効果が得られている。なお、この積層数については特に限定はなく、適宜決定される。

そして、第二の共振器２乃至第五の共振器５の接地端は、長手方向に対して略同列上（長手軸に垂直な線上）になるように配置されており、第一の共振器１および第六の共振器６の接地端が、これらに並設された第二の共振器２乃至第五の共振器５における接地端の位置よりも非接地端側に所定距離ずらした位置に配置されている。また、第一の共振器１における非接地端に近接する部位が第二の共振器２に向かって屈曲し、かつ第六の共振器６における非接地端に近接する部位が第五の共振器５に向かって屈曲している。さらに、図に示す本実施形態においては、第二の共振器２における非接地端に近接する部位が第一の共振器１に向かって屈曲し、かつ第五の共振器５における非接地端に近接する部位が第六の共振器６に向かって屈曲していて、第三の共振器３における非接地端に近接する部位が第一の共振器１に向かって屈曲し、かつ第五の共振器５における非接地端に近接する部位が第六の共振器６に向かって屈曲している。このような構造にすることにより、第一の共振器１乃至第六の共振器６の全ての共振器の非接地端と、この非接地端に接続される容量形成部との距離が積層方向から見て略等しくなっている。すなわち、導体線路１８、導体線路１９、導体線路２０、導体線路２１、導体線路２２、導体線路２３、導体線路２４、導体線路２５の長さが略等しくなっている。ここで、これらの距離が積層方向から見て略等しいことにより、第一の容量形成部から第四の容量形成部を第一の共振器から第六の共振器へそれぞれ接続する導体線路の長さを含めて略等しくなり、第一共振器乃至第六の共振器の共振周波数を変えること無く、パターン化することができるという効果がある。なお、非接地端とは、共振器の非接地側となる先端から２００μｍ接地側までのパターン領域のことをいう。また、長さが略等しいとは、各導体線路の長さの最大長さと最小長さの差が１００μm以下であることをいう。

なお、全ての導体線路の長さが略等しいのであれば、第二の共振器２乃至第五の共振器５は屈曲していなくてもよいが、このように屈曲させることにより、それぞれの容量形成部（第一の容量形成部乃至第四の容量形成部）の配置を任意に調整でき、帯域通過フィルタの特性制御が容易になる。また、第一の容量形成部を第一の共振器と第二の共振器との間に、第二の容量形成部を第一の共振器と第三の共振器との間に、第三の容量形成部を第四の共振器と第六の共振器との間に、第四の容量形成部を第五の共振器と第六の共振器との間に形成でき、通過帯域フィルタの小型化が実現できる。

なお、本実施形態においては、第一の共振器１乃至第六の共振器６および第一の容量形成部乃至第四の容量形成部は、上側グランド層としての接地パターン１４と下側グランド層としての接地パターン１６との間に挟まれる領域に形成されている。このように、上下をグランド層にて挟むことで、外部からくるノイズとの電磁界結合を防ぐことができ、さらに帯域通過フィルタが外部への干渉源とならないという効果がある。また本実施形態では、第一の容量形成部乃至第四の容量形成部は、第二の共振器２乃至第五の共振器５の非接地端に接続される側の導体パターンを、接地パターン１４及び接地パターン１６に対向するように形成することで、短縮容量電極を兼用させ、導体パターンの簡略化を図っている。

このような構造により、第二の共振器から第五の共振器の結合を強めることが出来、広帯域の実現が容易になっている。以下に理由を述べる。

帯域通過フィルタの通過帯域は、共振器間の結合係数の大きさに決まる。チェビシェフ関数を用いた理論計算によると、通過帯域３．１〜４．９ＧＨｚの帯域通過フィルタを作成する場合、結合係数は０．４必要であった。結合係数は同じ層に配置された共振器同士の間隔によって制御することができ、この間隔を狭めることで、結合係数を上げることが出来る。図１０に等価回路を示す誘電率９．４、厚み０．９ｍｍのセラミック基板中に、幅０．１ｍｍ、長さ３．２ｍｍのλ／４ストリップライン共振器３１、３２を２本同じ層に作成して、共振器同士の間隔ｄを０．０７５ｍｍ〜０．１２５ｍｍまで変えた場合の結合係数変化を測定した。なお、２本のストリップライン共振器は、入出力電極に対して弱く磁界結合させた。

その結果、図１１に示すように、結合係数は最も共振器間の間隔が狭い０．０７５ｍｍで０．０４程度しか得られないことがわかった。結合を強めるために、共振器同士の間隔ｄを０．０７５ｍｍ未満とすることが上げられるが、共振器同士の間隔ｄを狭めた場合、製造面からみて間隔の精度に対する要求が厳しくなる問題がある。

一方、結合を強める別の手法として、共振器の非接地端のグランド面に対する容量である短縮容量を大きくすることが上げられる。短縮容量を大きくすると、共振器単体の電界成分が短縮容量を介してグランド面に集中することで、共振器同士の磁界による結合が強くなり結合係数が増加する。Ansoft社の電磁界シミュレータＨＦＳＳを用いて、同層に配置したλ／４ストリップライン共振器の短縮容量を変えた場合の結合係数変化を、固有値解析にてシミュレーションした。等価回路を図１２に示す。共振器３３と共振器３４の非接地端には、それぞれ短縮容量Ｃ１３と短縮容量Ｃ１４が接続される。シミュレーションの条件として、誘電率９．４、厚み０．９ｍｍ、共振器幅０．１ｍｍ、共振器長さ３．２ｍｍ、共振器同士の間隔ｄを０．１ｍｍとした。ここで、短縮容量Ｃ１３、Ｃ１４は、電極面積とＧＮＤ面との距離で求まる平行平板の容量計算式によって算出した。

その結果、図１３に示すように、短縮容量Ｃ１３、Ｃ１４を増やすことで、結合係数を上げることが出来、０．２ｐＦ程度の短縮容量で、結合係数０．４が得られることがわかった。

本発明においては、主たる結合が磁界結合である、第二の共振器乃至第五の共振器に短縮容量を接続することとしたが、上記構造をとることで、第一の容量形成部を構成する導体パターンとグランドとの間で第二の共振器の短縮容量が形成され、第二の容量形成部を構成する導体パターンとグランドとの間で第三の共振器の短縮容量が形成され、第三の容量形成部を構成する導体パターンとグランドとの間で第四の共振器の短縮容量が形成され、第四の容量形成部を構成する導体パターンとグランドとの間で第五の共振器の短縮容量が形成される。即ち、第二の共振器乃至第五の共振器に短縮容量を接続することとしたが、上記構造をとることで、第一の容量形成部が第二の共振器の短縮容量になり、第二の容量形成部が第三の共振器の短縮容量になり、第三の容量形成部が第四の共振器の短縮容量になり、第四の容量形成部が第五の共振器の短縮容量となる。これにより、作製が容易となる。さらにこの構造をとることで、第一の共振器に接続される第一の容量形成部と第二の容量形成部、第六の共振器に接続される第三の容量形成部と第四の容量形成部が、それぞれ他の電極パターンと電磁界結合することを防ぐことが出来る。

このような帯域通過フィルタは、図４に示す等価回路で表すことができる。本発明の帯域通過フィルタは、第一の共振器１から第六の共振器６までの６本の共振器を有しており、これらの共振器の一端を接地端としてグランドに接地させている。第二の共振器２乃至第五の共振器５は、隣り合う共振器間で強い磁界結合Ｍにより結合されている。第一の共振器１は入力容量Ｃ５を介して入力端子ＩＮに接続されており、第六の共振器６は出力容量Ｃ６を介して出力端子ＯＵＴに接続されている。第一の共振器１と第二の共振器２の非接地端同士は第一の容量形成部Ｃ１を介して接続され、第一の共振器１と第三の共振器３の非接地端同士は第二の容量形成部Ｃ２を介して接続され、第六の共振器６と第四の共振器４の非接地端同士は第三の容量形成部Ｃ３を介して接続され、第六の共振器６と第五の共振器５の非接地端同士は第四の容量形成部Ｃ４を介して接続されている。また、第二の共振器２の非接地端は短縮容量Ｃ７を介して接地され、第三の共振器３の非接地端は短縮容量Ｃ８を介して接地され、第四の共振器４の非接地端は短縮容量Ｃ９を介して接地され、第五の共振器５の非接地端は短縮容量Ｃ１０を介して接地されている。このような構造により、第二の共振器２乃至第五の共振器５の磁界結合Ｍが強められ、結合係数が高くなる。

さらに、図５に示す等価回路は、入力端子ＩＮと出力端子ＯＵＴとが容量部Ｃ１１を介して接続されることにより電界結合している。このものは、図４に示す等価回路の入力端子ＩＮと出力端子ＯＵＴとの間を容量部Ｃ１１を介して接続したものである。

この構成による機能としては、入力容量Ｃ５から第一の共振器１乃至第六の共振器６、段間容量Ｃ１乃至段間容量Ｃ４および出力容量Ｃ６までで形成される回路を通過する信号と、容量Ｃ１１を通過する信号との位相が１８０°異なる周波数においてそれぞれの信号が打ち消しあって減衰極を形成することができる。共振器１および共振器２の磁界結合Ｍと容量Ｃ１との並列共振現象により発生する低域側の減衰極を通過帯域寄りに動かし、容量Ｃ１と共振器２および共振器３の磁界結合Ｍと共振器２との共振現象、容量Ｃ２と共振器３および共振器４の磁界結合Ｍと共振器３との共振現象によって形成される高域の減衰極を通過帯域寄りに動かすことができる。従って、より急峻な減衰特性を得ることが出来る。

この容量部Ｃ１１は、異なる誘電体層上に対向するように設けられた導体パターンによって積層方向に容量が形成されてなるものである。具体的には、入力端子電極に接続された導体パターンが設けられている層および出力端子電極に接続された導体パターンが設けられている層とは異なる層に独立した導体パターンを設けることで、独立した導体パターンを入力端子電極に接続された導体パターンおよび出力端子電極に接続された導体パターンと対向させて、それぞれの間に発生する容量の直列接続を実現するものである。

この一例として、図６には積層方向から見た透視図であって、複数の誘電体層からなる積層体の異なる層に形成された導体パターンを重ねたものを図示している。また、図７には図６に示す帯域通過フィルタを誘電体層の各層毎に展開した説明図であって、９層目から１２層目および裏面を示している。なお、図６に示す帯域通過フィルタの１層目から８層目までは図２に示すものと同じものであるので、省略している。

図７に示すように、１０層目の導体パターン１１及び１０層目の導体パターン１２と電界結合するように、１１層目に導体パターン３１が配置されている。なお、前記の独立した導体パターンとは、この導体パターン９９のように他の導体パターンと電気的に接続されていないことをいう。１０層目の導体パターン１１は入力端子電極１３にビアホール導体を介して接続され、１０層目の導体パターン１２は出力端子電極１５にビアホール導体を介して接続されるため、１１層目の導体パターン３１によって、入力端子電極１３及び出力電極端子１５間を容量部で結合したことと等しくなる。このときの静電容量は、導体パターン１１と導体パターン９９で形成される容量と、導体パターン１２と導体パターン９９で形成される容量の直列接続となる。

本発明の帯域通過フィルタの製造は、例えば、誘電体層は低温焼成用のセラミックス(ＬＴＣＣ： Low Temperature Co-fired Ceramics)で形成され、各誘電体層に形成される導体層は銅や銀などの低抵抗導体によって形成される。このような多層基板は、周知の多層セラミック技術によって形成されるもので、例えば、セラミックグリーンシートの表面に導体ペーストを塗布して、各共振器、各容量形成部を構成する導体パターンをそれぞれ形成した後、積層し、所用の圧力と温度の下で熱圧着し焼成して形成されている。また、各誘電体層には、複数の層にわたって、上下の導体層を接続するために必要なビアホール導体が適宜形成される。

また、本発明の無線通信機器は、例えば、ベースバンド信号を処理するベースバンドＩＣ、高周波信号を処理するＲＦＩＣ、平衡信号と不平衡信号を変換するバラン、上述の帯域通過フィルタ、送受信を切り替える高周波スイッチ、アンテナがこの順で接続されてなる構成からなるもので、帯域通過フィルタによりＵＷＢの帯域内送受信信号を通過させ、帯域外の信号を急峻に減衰させるようになっている。この無線通信機器としては、携帯電話や、無線通信に対応した外付け記憶装置、プリンタ、スキャナなどのＰＣ周辺機器、デジタルテレビ、プロジェクタ、デジタルスチールカメラ、デジタルビデオカメラ等が挙げられる。

図２および図３に示す配線パターンにて形成した帯域通過フィルタの通過特性Ｓ２１及び反射特性Ｓ１１を、アジレント−テクノロジーズ（Agilent Technologies）社製のベクトルネットワークアナライザ８７１９ＥＳを用いて測定した。このとき誘電率として９．０のセラミックスを用いており、誘電体層の１層厚みは７５ｕｍ、１２層構成とした。このとき誘電体のサイズは４．５×３．２ｍｍとした。この結果を図８に示す。

また、同様の条件で、図７に示すように導体パターン９９を追加して、入力端子電極と出力端子電極とを容量部を介して接続した構造の帯域通過フィルタの通過特性Ｓ２１及び反射特性Ｓ１１を測定した。この結果を図９に示す。

図８に示す結果によれば、３．１６ＧＨｚ（ｍ１で示す）から４．７５ＧＨｚ（ｍ２で示す）の約１．５ＧＨｚの帯域内での通過損失が１．５ｄＢ未満であった。また、Ｗ−ＬＡＮのＩＥＥＥ８０２．１１ｂ／ｇが存在する２．４８ＧＨｚ（ｍ３で示す）での減衰は３０ｄＢ以上が得られた。一方、Ｗ−ＬＡＮのＩＥＥＥ８０２．１１ａが存在する５．１５ＧＨｚで、約３２ｄＢの減衰特性が得られた。

また、図９に示す結果によれば、３．１６ＧＨｚ（ｍ１で示す）から４．７５ＧＨｚ（ｍ２で示す）の通過損失は１．５ｄＢ未満、２．４８ＧＨｚ（ｍ３で示す）での減衰は３０ｄＢ以上が得られており、図８に示す結果と同じである。さらに５．１５〜５．３５ＧＨｚの減衰量は３０ｄＢ以上となっており、図５の例と比べて８ｄＢ以上改善された。

なお、ここでは通過帯域として、ＵＷＢの一方式であるＭＢ−ＯＦＤＭ方式を例にしてあげたが、別の方式であるＤＳ−ＣＤＭＡ方式の低周波側の通過帯域である３．１ＧＨｚから４．９ＧＨｚにおいても同様に議論できる。本発明の帯域通過フィルタの、第一の共振器から第六の共振器の長さ、幅、間隔、第一の容量形成部から第四の容量形成部の容量を調整することによって、ＤＳ−ＣＤＭＡ方式のＵＷＢにおいても用いることが可能になる。

本発明の帯域通過フィルタの実施形態の一例を積層方向から見た透視図であって、複数の誘電体層からなる積層体の異なる層に形成された導体パターンを重ねて図示したものである。 図１に示す帯域通過フィルタを誘電体層の各層毎に展開して上面から見た状態の説明図であり、表層から８層目までを示している。 図１に示す帯域通過フィルタを誘電体層の各層毎に展開して上面から見た状態の説明図であり、９層目から１２層目および裏面を示している。 本発明の帯域通過フィルタの一例の等価回路を示す図である。 本発明の帯域通過フィルタの他の例の等価回路を示す図である。 図５に示す帯域通過フィルタを積層方向から見た透視図であって、複数の誘電体層からなる積層体の異なる層に形成された導体パターンを重ねて図示したものである。 図５に示す帯域通過フィルタを誘電体層の各層毎に展開して上面から見た状態の説明図であり、９層目から１２層目および裏面を示している。 図２および図３に示す帯域通過フィルタの実施例の通過特性と反射特性を示す図である。 図２および図７に示す帯域通過フィルタの実施例の通過特性と反射特性を示す図である。 共振器の間隔と結合係数の関係を測定したサンプルの等価回路を示す図である。 共振器間の間隔と結合係数の関係を測定した結果を示す図である。 共振器の短縮容量と結合係数の関係をシミュレーションしたサンプルの等価回路を示す図である。 共振器の短縮容量と結合係数の関係をシミュレーションした結果を示す図である。

符号の説明

１：第一の共振器
２：第二の共振器
３：第三の共振器
４：第四の共振器
５：第五の共振器
６：第六の共振器
７：第一の容量形成部を構成する導体パターン
８：第二の容量形成部を構成する導体パターン
９：第三の容量形成部を構成する導体パターン
１０：第四の容量形成部を構成する導体パターン
１１：入力容量を構成する導体パターン
１２：出力容量を構成する導体パターン
１３：入力端子電極
１５：出力端子電極
１４、１６：接地パターン
１７：誘電体層
１８〜２７：導体線路
２８〜３０：ビアホール導体
Ｃ１：第一の容量形成部
Ｃ２：第二の容量形成部
Ｃ３：第三の容量形成部
Ｃ４：第四の容量形成部
Ｃ５：入力容量
Ｃ６：出力容量
Ｃ７：第二の共振器の短縮容量
Ｃ８：第三の共振器の短縮容量
Ｃ９：第四の共振器の短縮容量
Ｃ１０：第五の共振器の短縮容量
Ｃ１１：容量部
３１〜３４：共振器
Ｃ１３〜Ｃ１４：短縮容量

Claims (11)

1. 複数の誘電体層からなる積層体の表面または裏面に入力端子電極および出力端子電極を有し、前記積層体の内部に、一端が接地端としてそれぞれ接地され、信号伝搬方向の長さが通過帯域の略中心周波数における前記誘電体層内部の伝搬波長をλとすると基本的にλ／４である導体パターンからなる６個の共振器を有してなり、
   該６個の共振器は、同一の誘電体層上に、それぞれの前記接地端が積層方向から見て同一方向に配置されて、第一の共振器から第六の共振器まで順に並設されており、
   前記第一の共振器の非接地端が容量素子またはインダクタ素子を介して前記入力端子電極に接続され、
   前記第六の共振器の非接地端が容量素子またはインダクタ素子を介して前記出力端子電極に接続され、
   前記第二の共振器から前記第五の共振器までの隣り合う共振器間が磁界結合し、
   前記第一の共振器および前記第二の共振器の非接地端同士、前記第一の共振器および前記第三の共振器の非接地端同士、前記第六の共振器および前記第四の共振器の非接地端同士、前記第六の共振器および前記第五の共振器の非接地端同士がそれぞれ容量形成部を介して接続されることにより電界結合し、
   前記第一の共振器乃至前記第六の共振器の全ての共振器の非接地端と該非接地端に接続される容量形成部との距離が積層方向から見て略等しいことを特徴とする帯域通過フィルタ。
2. 前記第一の共振器および前記第六の共振器の接地端が、これらに並設された前記第二の共振器乃至前記第五の共振器における接地端の位置よりも非接地端側に所定距離ずらした位置に配置されているとともに、
   前記第一の共振器における非接地端に近接する部位が前記第二の共振器に向かって屈曲し、かつ前記第六の共振器における非接地端に近接する部位が前記第五の共振器に向かって屈曲していることを特徴とする請求項１に記載の帯域通過フィルタ。
3. 前記第二の共振器における非接地端に近接する部位が前記第一の共振器に向かって屈曲し、かつ前記第五の共振器における非接地端に近接する部位が前記第六の共振器に向かって屈曲していることを特徴とする請求項２に記載の帯域通過フィルタ。
4. 前記第三の共振器における非接地端に近接する部位が前記第一の共振器に向かって屈曲し、かつ前記第四の共振器における非接地端に近接する部位が前記第六の共振器に向かって屈曲していることを特徴とする請求項３に記載の帯域通過フィルタ。
5. 前記第一の共振器乃至前記第六の共振器を積層方向上下から挟むように、上側グランド層および下側グランド層が設けられていることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の帯域通過フィルタ。
6. 前記容量形成部は、異なる誘電体層上に対向するように設けられた導体パターンによって積層方向に容量が形成されてなるものであり、
   前記第一の共振器の非接地端に接続される導体パターンと前記第二の共振器の非接地端に接続される導体パターンとの間で第一の容量形成部が形成され、
   前記第一の共振器の非接地端に接続される導体パターンと前記第三の共振器の非接地端に接続される導体パターンとの間で第二の容量形成部が形成され、
   前記第六の共振器の非接地端に接続される導体パターンと前記第四の共振器の非接地端に接続される導体パターンとの間で第三の容量形成部が形成され、
   前記第六の共振器の非接地端に接続される導体パターンと前記第五の共振器の非接地端に接続される導体パターンとの間で第四の容量形成部が形成されていることを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれかに記載の帯域通過フィルタ。
7. 前記第一の共振器の非接地端に接続される導体パターンの上下に前記第二の共振器の非接地端に接続される導体パターンを配置して前記第一の容量形成部が形成されるとともに、前記第一の共振器の非接地端に接続される導体パターンの上下に前記第三の共振器の非接地端に接続される導体パターンを配置して前記第二の容量形成部が形成され、
   前記第六の共振器の非接地端に接続される導体パターンの上下に前記第四の共振器の非接地端に接続される導体パターンを配置して前記第三の容量形成部が形成され、前記第六の共振器の非接地端に接続される導体パターンの上下に前記第五の共振器の非接地端に接続される導体パターンを配置して前記第四の容量形成部が形成されていることを特徴とする請求項６に記載の帯域通過フィルタ。
8. 前記第一の容量形成部乃至前記第四の容量形成部が、前記上側グランド層および前記下側グランド層で挟まれる領域に形成されていることを特徴とする請求項５乃至請求項７のいずれかに記載の帯域通過フィルタ。
9. 前記入力端子電極と前記出力端子電極とが容量部を介して接続されることにより電界結合していることを特徴とする請求項１乃至請求項８のいずれかに記載の帯域通過フィルタ。
10. 前記容量部は異なる誘電体層上に対向するように設けられた導体パターンによって積層方向に容量が形成されてなるものであり、
    前記入力端子電極に接続された導体パターンが設けられている層および前記出力端子電極に接続された導体パターンが設けられている層とは異なる層に、独立した導体パターンが設けられていることを特徴とする請求項９に記載の帯域通過フィルタ。
    前記容量部
11. アンテナと、該アンテナで送受信される送受信信号を通過させる請求項１乃至請求項１０のいずれかに記載の帯域通過フィルタと、前記送受信信号を処理するＲＦＩＣと、ベースバンド信号を処理するベースバンドＩＣとを具備する無線通信機器。

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