JP2008283452A - デュアルバンド共振器およびデュアルバンドフィルタ - Google Patents

Abstract

【課題】２つの通過帯域の中心周波数と帯域幅の計４つの特性値の設計自由度が高く、所望の通過帯域以外の不要な信号を概ね遮断する特性を有し、更に、小型化が可能なデュアルバンドフィルタを実現する。
【解決手段】信号入出力線１０１は、信号を入出力する。第１共振部１０２は、一端が信号入出力線１０１に接続され他端が開放端である。第２共振部１０３は、一端が地導体１０５に接続され他端が開放端である。接続線路１０４は、信号入出力線１０１と第１共振部１０２との接続点と第２共振部１０３上の所定の一点との間を接続するあらかじめ定められた長さの線路である。
【選択図】図１

Description

本発明は、主にマイクロ波帯・ミリ波帯の平面回路に用いられるデュアルバンド共振器およびデュアルバンドフィルタに関する。

従来、通過帯域を２つ持つことを特徴とするデュアルバンドフィルタには、大きく分けて２つの構成方法が存在している。
１つは、図１４に示したような外見上１つの形状で、２つの周波数で共振するデュアルバンド共振器が用いられ、それらが入出力ポートと結合され、さらにいくつか連なることによってフィルタを構成するものである（例えば、非特許文献１を参照）。このフィルタでは、入出力線路と結合する両端のデュアルバンド共振器は、２つの帯域両方で所望の周波数および帯域幅となる満足するように結合部の構造および寸法を決定する必要がある。

もう１つは、図１５に示したような異なるインピーダンスと線路長をもつ伝送線路の端部同士をいくつも接続してフィルタを構成するものである（例えば、非特許文献２を参照）。このフィルタでは、集中定数素子を用いた等価回路理論に基づいて、フィルタを構成する各伝送線路の特性インピーダンスおよび長さを決定して、デュアルバンドフィルタの特性を得ている。
S. Sun, L. Zhu, "Novel Design of Microstrip Bandpass Filters with a Controllable Dual-Passband Response: Description and Implimentation," IEICE Trans. Electron., vol. E89-C, no. 2, pp. 197-202, February 2006. X. Guan, Z. Ma, P. Cai, Y. Kobayashi, T. Anada, and G. Hagiwara, "Synthesizing Microstrip Dual-Band Bandpass Filters Using Frequency Transformation and Circuit Conversion Technique," IEICE Trans. Electron., vol. E89-C, no. 4, pp. 495-502, April 2006.

一般的にデュアルバンドフィルタは、２つの通過帯域に対して中心周波数と帯域幅を設定しなければならず、つまり合計４つの特性値を制御しなければならない。しかし、図１４に示すデュアルバンドフィルタは、単一の部位の構造および寸法のみより４つの特性値を制御しなければならない。したがって、４つの特性値の設計自由度を高く維持したままでデュアルバンドフィルタを設計・構成することが困難であった。

また、図１５に示すデュアルバンドフィルタは、入出力の伝送線路同士が直結されているため、所望の通過帯域の両外側のある一定の周波数帯域は遮断されるが、それ以外の不用な周波数帯域の信号も通過してしまうという問題があり、それらの不要な周波数帯域の信号を全てカットするには、もう一つ別の帯域通過フィルタを使用する必要があった。さらに、全てがある長さの伝送線路の端部同士を接続した構造であるため、フィルタの小型化という観点でも不利であった。

本発明における課題は上記のような従来技術の問題点の解消、すなわち２つの通過帯域の中心周波数と帯域幅の計４つの特性値の設計自由度が高く、所望の通過帯域以外の不要な信号を概ね遮断する特性を有し、更に、小型化が可能なデュアルバンドフィルタを実現することにある。

本発明の共振器は、信号入出力線、第１共振部、第２共振部、及び接続線路から構成される。
信号入出力線は、信号を入出力する。第１共振部は、一端が上記信号入出力線に接続され他端が開放端である。第２共振部は、一端が地導体に接続され他端が開放端である。接続線路は、上記信号入出力線と上記第１共振部との接続点と上記第２共振部上の所定の一点との間を接続するあらかじめ定められた長さの線路である。

２つの通過帯域の中心周波数と入出力信号線と共振器の間の外部結合量から決定される帯域幅について、相互の値の設定自由度を下げることなく、任意の中心周波数及び帯域幅に調整することが可能であり、また、所望の通過帯域以外の不要な信号を効果的に遮断することが可能であり、更に、小型化が可能なデュアルバンドフィルタを実現できる。

〔第１実施形態〕
図１は第１実施形態の共振器の構成例である。なお、図の塗られている部分に導体が存在し、色が無く、塗られている部分に囲まれている部分が導体下面の誘電体基板がむき出しになっている部分を示している。以後、この説明は全ての図に適用される。
共振器１００は、信号入出力線１０１、第１共振部１０２、第２共振部１０３、及び第１接続線路１０４を備え、両側に地導体１０５を配したコプレーナ平面回路内に構成される。

信号入出力線１０１は、ここから信号の入出力を行う。第１共振部１０２は一端が信号入出力線１０１に接続され、他端が開放されている。第２共振部１０３は一端が接続点Ｃにおいて地導体１０５に接続され、他端が開放されている。なお、第１共振部１０２及び第２共振部１０３は、それぞれ異なる共振周波数を有する。第１接続線路１０４は、一端が信号入出力線１０１と第１共振部１０２との接続点Ａに一端が接続され、他端が第２共振部１０３上の所定の接続点Ｂに接続される線路である。

図１の構成では、上側の第２共振部１０３は折り曲げられて配置されることにより、下側の第１共振部１０２と比較して長くなっている。このことにより、第２共振部１０３は第１共振部１０２と比較して低い周波数で共振し、第１共振部１０２は高い周波数で共振する。

第１共振部１０２と第２共振部１０３とを近接に配置すると共に第１接続線路１０４によって相互に接続することにより、２つの共振器は誘導的に励振される。このような構成をとることにより、第１接続線路１０４と第２共振部１０３との接続点Ｂの位置を変更し経路長ＢＣの距離を変更することで、第２共振部に相当する帯域の帯域幅を決定する外部結合量を調整することができる。また、第１接続線路１０４の長さＡＢを変更し経路長ＡＢＣの長さを変更することで、第１共振部に相当する帯域の帯域幅を決定する外部結合量を調整することができる。

以上のように、経路長ＢＣ及びＡＢＣの長さを適宜変更することで、２つの通過帯域の帯域幅をそれぞれ調整することが可能である。また、２つの通過帯域の中心周波数についても、第１、第２共振部自体の形状を変更することにより、それぞれ調整が可能である。

〔変形例〕
図２は第１実施形態の共振器の変形例である。
図１の構成では、第２共振部１０３は折り曲げられて配置されることにより、直線形状の第１共振部１０２と比較して長くなっているが、図２では逆に第１共振部１０２が折り曲げられて配置されることにより、直線形状の第２共振部１０３と比較して長くなっている。このように第１共振部と第２共振部の長短を逆にしても、どちらの共振部の方が高い（又は低い）周波数で共振するかが逆になるだけで、その他の作用効果については同様であることから、実装時の事情に応じていずれの構成をとっても構わない。

〔第２実施形態〕
図３は第２実施形態の共振器の構成例である。
共振器２００は、信号入出力線１０１、第１共振部２０２、第２共振部２０３、及び第１接続線路１０４から構成される。信号入出力線１０１、第１接続線路１０４は先に説明した第１実施形態にて適用されるものと同様である。よって、図３の中で図１と同一の名称・機能を有する部分については同一参照番号を付け、説明は省略する。その他の図面についても同様とする。

第１共振部２０２及び第２共振部２０３についても、第１共振部２０２の一端が信号入出力線１０１に接続され他端が開放されており、また第２共振部２０３の一端が接続点Ｃにおいて地導体１０５に接続され他端が開放されており、更に第１共振部２０２及び第２共振部２０３がそれぞれ異なる共振周波数を有するという点で、第１実施形態の第１共振部１０２及び第２共振部１０３と同様である。

もっとも、第２実施形態は第１共振部２０２と第２共振部２０３の少なくともいずれか一方の開放端の線路幅を他端の線路幅と比べて幅広とする、ステップインピーダンス構造とするものである。

ステップインピーダンス構造とすることで、２つの通過帯域の中心周波数を変化させたい場合に、共振器の物理的長さを延長することなく共振器の電気的長さを延長できるため、共振器の小型化が可能となる。また、ステップインピーダンス構造部分の長さと幅との組み合わせを変化させることにより、柔軟に中心周波数を調整することができる。
なお、本実施形態でも第１実施形態の変形例で説明したように、第１共振部と第２共振部の長さはいずれが長くても構わない。

〔第３実施形態〕
図４は第３実施形態の共振器の構成例である。
共振器３００は、信号入出力線１０１、第１共振部３０２、第２共振部３０３、及び第１接続線路１０４から構成される。信号入出力線１０１、第１接続線路１０４は先に説明した第１実施形態にて適用されるものと同様である。

第１共振部３０２及び第２共振部３０３についても、第１共振部３０２の一端が信号入出力線１０１に接続され他端が開放されており、また第２共振部３０３の一端が接続点Ｃにおいて地導体１０５に接続され他端が開放されており、更に第１共振部３０２及び第２共振部３０３がそれぞれ異なる共振周波数を有するという点で、第１実施形態の第１共振部１０２及び第２共振部１０３と同様である。

もっとも、第３実施形態は第１共振部３０２と第２共振部３０３の少なくともいずれか一方の形状を複数回折り返された、メアンダ構造とするものである。図４は第２共振部３０３のみをメアンダ構造とした例である。
共振部をメアンダ構造とすることで、ある外形寸法において、より長い共振器を収容できるため、共振器の小型化が可能となる。
なお、本実施形態でも第１実施形態の変形例で説明したように、第１共振部と第２共振部の長さはいずれが長くても構わない。

〔第４実施形態〕
図５は第４実施形態の共振器の構成例である。
共振器４００は、信号入出力線１０１、第１共振部４０２、第２共振部４０３、及び第１接続線路１０４から構成される。信号入出力線１０１、第１接続線路１０４は先に説明した第１実施形態にて適用されるものと同様である。

第１共振部４０２及び第２共振部４０３についても、第１共振部４０２の一端が信号入出力線１０１に接続され他端が開放されており、また第２共振部４０３の一端が接続点Ｃにおいて地導体１０５に接続され他端が開放されており、更に第１共振部４０２及び第２共振部４０３がそれぞれ異なる共振周波数を有するという点で、第１実施形態の第１共振部１０２及び第２共振部１０３と同様である。

もっとも、第４実施形態は第１共振部４０２と第２共振部４０３の少なくともいずれか一方の形状を、折り返しスパイラル状構造とするものである。図５は第２共振部４０３のみを折り返しスパイラル構造とした例である。
共振部を折り返しスパイラル構造とすることで、第３実施形態と同様、ある外形寸法において、より長い共振器を収容できるため、共振器の小型化が可能となる。
なお、本実施形態でも第１実施形態の変形例で説明したように、第１共振部と第２共振部の長さはいずれが長くても構わない。

〔第５実施形態〕
図６は第５実施形態の共振器の構成例である。
共振器５００は、信号入出力線１０１、第１共振部１０２、第２共振部１０３、第１接続線路１０４、第３共振部５０１、及び第２接続線路５０２から構成される。信号入出力線１０１、第１共振部１０２、第２共振部１０３、及び第１接続線路１０４は先に説明した第１実施形態にて適用されるものと同様である。なお、第１共振部の形状は、信号入出力線の長手方向の中心軸を対称軸として対称な形状であれば、図６のような長方形でもステップインピーダンス構造やその他の形状でもよく、また、第２共振部の形状には、第１〜第４実施形態で説明したいずれの形状を適用してもよい。

第３共振部５０１は一端が接続点Ｃ´において地導体１０５に接続され、他端が開放されている。第２接続線路５０２は、一端が信号入出力線１０１と第１共振部１０２との接続点Ａに接続され、他端が第３共振部５０１上の所定の接続点Ｂ´に接続される線路である。

また、第３共振部５０１と第２接続線路５０２は、信号入出力線１０１の長手方向の中心軸を対称軸として、それぞれ第２共振部１０３と第１接続線路１０４に対して、対称な位置・形状に配される。対称配置された第２共振部１０３と第３共振部５０１は同じ周波数で一体的に共振し、第１共振部と第２、３共振部とで、２つの通過帯域を有する共振器として動作する。

この構成では、回路が対称軸に対して線対称構造をなしていることから、電磁界シミュレーションを行う際の計算量・計算時間の低減が可能となり、また、不要な非対称の共振モードを抑制し、所望の通過帯域以外の不要な信号を概ね遮断することが可能となる。

図７に示す構造により、経路長ＢＣ及びＡＢＣを変化させた場合の外部結合量のシミュレーションを行った結果を図８に示す。
図７に示す構造は、第１共振部の開放端をステップインピーダンス構造とし、第２、第３共振部は開放端をステップインピーダンス構造とするとともに中間部をスパイラル構造としたものである。経路長ＢＣはＬ０の長さを調整することにより変化することができ、経路長ＡＢＣは更にＷ０の長さを調整することにより変化することができる。

シミュレーションは、(1)Ｌ０を０に固定してＷ０を0.8〜3.84まで変化させた場合、(2) Ｌ０を2.24に固定してＷ０を0.8〜3.84まで変化させた場合、(3) Ｗ０を0.8に固定してＬ０を０〜2.24まで変化させた場合、(4) Ｗ０を3.84に固定してＬ０を０〜2.24まで変化させた場合の４通りについて、第１共振部の通過帯域の外部結合量Ｑｅａ、第２共振部の通過帯域の外部結合量Ｑｅｂがどのように変化するかについて行った。なお、シミュレーションにおいては、誘電体基板の比誘電率を9.68、誘電体基板の厚さを0.5mm、基板上部空間の高さ4.0mm、基板下部空間の高さを3.5mmとして計算を行っている。

図８に示すシミュレーション結果から、４つの線で囲まれた内側の範囲の外部結合量Ｑｅａ、Ｑｅｂの組み合わせであればＬ０を０〜2.24、Ｗ０を0.8〜3.84の中から適宜選ぶことで実現することがわかる。
従って、Ｌ０、Ｗ０を変化させることにより外部結合量Ｑｅａ、Ｑｅｂを共に調整できる。なお、外部結合量が大きいほど通過帯域は広くなり、小さいほど通過帯域は狭くなる。
このシミュレーションではパラメータをＬ０、Ｗ０の長さとして定義したが、経路ＢＣもしくは経路ＡＢＣの長さを変更させることができれば、パラメータはどのように定義しても構わない。

〔第６実施形態〕
図９は第６実施形態の共振器の構成例である。
共振器６００は、信号入出力線１０１、第１共振部１０２、第２共振部１０３、第１接続線路１０４、及びビアホール６０１を備え、ビアホール６０１以外は先に説明した第１実施形態にて適用されるものと同様である。
ビアホール６０１は、基板表面に形成される第２共振部１０３と基板裏面に形成される地導体６０２との電気的導通を確保するために基板に形成される貫通穴である。

第１実施形態の共振器１００は、両側に地導体１０５を配したコプレーナ平面回路として構成されるのに対し、第６実施形態の共振器６００は基板表面（図９(ａ)）に回路を形成し、基板裏面（図９(ｂ)）に地導体６０２を形成したマイクロストリップ構造により構成される。

マイクロストリップ構造では、ビアホールを形成する必要があり、また基板両面に導体を施す必要があるため、片面のみで足りるコプレーナ構造よりコスト面でやや不利があるが、地導体が全て基板裏面に存在するため、元々の回路の特性にあまり影響を与えることなく追加の機能を付加するための線路を共振器の脇に容易に追加できる点において優れている。
なお、第２〜第５実施形態についても、同様にマイクロストリップ構造により構成することが可能である。

〔第７実施形態〕
第１〜第６実施形態のいずれか、若しくはそれらを組み合わせた構造を有する共振器を両端に配して多段化することにより、デュアルバンドフィルタを構成することができる。

図１０は、第１共振部に第３実施形態のメアンダ構造、第２共振部に第４実施形態のスパイラル構造を適用し、かつそれぞれの開放端に第２実施形態のステップインピーダンス構造を適用した共振器を両端に有する４段デュアルバンドフィルタの構成例である。このように構成することより、フィルタの小型化を図ることができる。

また、図１１は、図６に示す第５実施形態の構造に第２実施形態のステップインピーダンス構造を組み合わせた共振器を両端に有する４段デュアルバンドフィルタの構成例である。回路パターン全体が横方向の軸に対して線対称構造をなしていることから、電磁界シミュレーションを行う際の計算量・計算時間を低減することができ、また、不要な非対称の共振モードを抑制することができる。更に、共振器にステップインピーダンス構造、メアンダ構造を適用することにより、フィルタの小型化を図ることができる。

図１２に示す構造により、フィルタの電気特性のシミュレーションを行った結果を図１３に示す。図１２は、第１共振部の開放端をステップインピーダンス構造とし、第２、第３共振部の開放端をステップインピーダンス構造とするとともに中間部をスパイラル構造とした共振器を対向させた２段デュアルバンドフィルタである。

図１３は、１ＧＨｚ〜５ＧＨｚまでの入力信号に対する図１２の構造のフィルタの反射特性（Ｓ_１１：細線）及び通過特性（Ｓ_２１：太線）のシミュレーション結果である。この結果から、両外側に配置された第２共振部、第３共振部が一体的につくった通過帯域が２．１ＧＨｚ付近に形成され、中央の対称軸上に配置された第１共振部がつくった通過帯域が３．７ＧＨｚ付近に形成され、かつ、所望の通過帯域以外の不要な信号を概ね遮断できていることが確認できる。

本発明は、主にマイクロ波帯・ミリ波帯の平面回路をデュアルバンド対応の回路として構成する場合の構成要素として有用である。

第１実施形態の共振器の構成例の平面図。 第１実施形態の変形例の平面図。 第２実施形態の共振器の構成例の平面図。 第３実施形態の共振器の構成例の平面図。 第４実施形態の共振器の構成例の平面図。 第５実施形態の共振器の構成例の平面図。 第５実施形態における特性シミュレーションに用いた構成の平面図。 第５実施形態における特性シミュレーション結果を示す図。 第６実施形態の共振器の構成例の平面図。 第７実施形態のデュアルバンドフィルタの構成例の平面図。 第７実施形態の別のデュアルバンドフィルタの構成例の平面図。 第７実施形態における特性シミュレーションに用いた構成の平面図。 第７実施形態における特性シミュレーション結果を示す図。 従来のデュアルバンドフィルタの構成例の平面図。 従来の他のデュアルバンドフィルタの構成例の平面図。

Claims (10)

1. 異なる周波数で共振する２つの共振部を有する共振器であって、
   信号を入出力する信号入出力線と、
   一端が上記信号入出力線に接続され、他端が開放されている第１共振部と、
   一端が地導体に接続され、他端が開放されている第２共振部と、
   上記信号入出力線と上記第１共振部との接続点と、上記第２共振部の所定の一点との間を接続する、あらかじめ定められた長さの第１接続線路と、
   を備える共振器。
2. 請求項１に記載の共振器において、
   上記第１共振部または上記第２共振部の少なくともいずれか一方の開放端の線路幅が、他端の線路幅と比べて幅広になっているステップインピーダンス構造であることを特徴とする共振器。
3. 請求項１または２のいずれかに記載の共振器において、
   上記第１共振部または上記第２共振部のうち少なくともいずれか一方が、メアンダ構造であることを特徴とする共振器。
4. 請求項１または２のいずれかに記載の共振器において、
   上記第１共振部または上記第２共振部のうち少なくともいずれか一方がスパイラル構造であることを特徴とする共振器。
5. 請求項１〜４のいずれかに記載の共振器において、
   上記信号入出力線の長手方向の中心軸を対称軸として、
   上記対称軸を挟んで上記第２共振部と対称な位置・形状に配された第３共振部と、
   上記対称軸を挟んで上記第１線路と対称な位置・形状に配された第２接続線路と、
   を更に備えることを特徴とする共振器。
6. 請求項１〜４のいずれかに記載の共振器は、
   上記第１共振部と上記第２共振部とが同時に誘導的に励振されることを特徴とする共振器。
7. 請求項５に記載の共振器は、
   上記第１共振部と上記第２共振部と上記第３共振部とが同時に誘導的に励振されることを特徴とする共振器。
8. 請求項１〜７のいずれかに記載の共振器は、
   両側に地導体を配したコプレーナ平面回路内に構成されていることを特徴とする共振器。
9. 請求項１〜７のいずれかに記載の共振器は、
   地導体を基板の裏面に配したマイクロストリップ構造により構成されることを特徴とする共振器。
10. 請求項１〜９のいずれかに記載の共振器を備えることを特徴とするデュアルバンドフィルタ。