JP2009071343A - 信号選択装置 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、信号の選択を行う機構を構成する共振器、インピーダンス変換回路の特性を適切に制御することで、異なる周波数、帯域幅の信号に対しフィルタを個別に複数用意し、それらを切り替えることなく対応可能とすることを目的とする。
【解決手段】本発明の信号選択装置は、２つの入出力ポートと、複数の共振部と、複数のインピーダンス変換部と、制御部とを備える。共振部は、共振周波数の１波長もしくはその整数倍の長さの環状導体と、一端が前記環状導体の異なる部位に接続され他端が接地導体に接続された複数のスイッチとを有する。制御部は、スイッチの状態を制御する。各共振部は、２つの入出力ポートの間に直列に配置されている。インピーダンス変換部は前記入出力ポートおよび前記共振部の間にそれぞれ配置されている。インピーダンス変換部は、外部と共振部または各共振部間のインピーダンスを調整する。
【選択図】図１

Description

本発明は、情報を送信、受信、もしくは送受信するときに用いる信号選択装置に関する。

電波を用いた無線通信の分野においては、数多い信号の中から特定の周波数の信号を取り出すことで、必要な信号と不必要な信号とを分別している。この機能は多くの無線装置に搭載されている。このような機能を持つ機構は、その設計パラメータである中心周波数、帯域幅などは不変なものとなっている。このような機構を用いた無線通信装置で様々な周波数、帯域幅を用いる場合は、使用する周波数、帯域幅のフィルタを複数個用意し、スイッチなどで切り替える方法が用いられている（非特許文献1）。
ＤｏＣｏＭｏ テクニカルジャーナルVol. 14, No.2, pp. 31-37．

非特許文献１のような方法の場合、周波数や帯域幅の数が増大するにつれ、回路面積、部品点数が増大するという課題がある。

このような実情に鑑みて本発明は、信号の選択を行う機構を構成する共振器、インピーダンス変換回路の特性を適切に制御することで、異なる周波数、帯域幅の信号に対しフィルタを個別に複数用意し、それらを切り替えることなく対応可能とすることを目的とする。

本発明の信号選択装置は、２つの入出力ポートと、複数の共振部と、複数のインピーダンス変換部と、制御部とを備える。共振部は、共振周波数の１波長もしくはその整数倍の長さの環状導体と、一端が前記環状導体の異なる部位に接続され他端が接地導体に接続された複数のスイッチとを有する。制御部は、スイッチの状態を制御する。各共振部は、２つの入出力ポートの間に直列に配置されている。インピーダンス変換部は前記入出力ポートおよび前記共振部の間にそれぞれ配置されている。つまり、インピーダンス変換部の数は、共振部の数よりも１多い。インピーダンス変換部は、外部と共振部または各共振部間のインピーダンスを調整する。環状導体とは、始点と終点とが同一の導体（伝送路）を意味し、形状を限定するものではない。つまり、形状は、円形に限らず多角形やその他の形状でもかまわない。

インピーダンス変換部は、特性を変更できてもよい。この場合には、制御部はインピーダンス変換部の特性も制御する。特に、共振部が奇数個の場合には、すべてのインピーダンス変換部の特性が同一となるようにすればよい。また、共振部が偶数個の場合（インピーダンス変換部は奇数個となる）、真ん中に配置されたインピーダンス変換部のみの特性が他のインピーダンス変換部と異なる特性となるように制御すればよい。

環状導体に等間隔に３以上の可変リアクタンス手段を接続してもよい。この場合には、制御部は可変リアクタンス手段の特性も制御する。

１以上の分岐部をインピーダンス変換部と共振部の間に配置し、切替部を一方の入出力ポートとインピーダンス変換部との間に配置してもよい。この場合には、分岐部の１つを選択し、その分岐部と切替部の間が接続されるように切り替えることができる。

本発明によれば、環状導体とスイッチを有する共振部が、サセプタンススロープパラメータを、共振周波数と高い独立性を持って自由に変更できる。したがって、信号選択装置を求める特性とするための設計が容易となる。また、共振部のサセプタンススロープパラメータを変えることにより帯域幅、特性を変化することも可能である。

さらに、共振部が、環状導体に適切な間隔を設けて接続された可変リアクタンス手段を有する場合、帯域幅、帯域内及び外の特性に対して高い独立性を維持して中心周波数を変更することが可能である。さらに可変インピーダンス変換回路により適切に帯域幅、帯域内及び外の周波数特性を調整可能である。

また、分岐部と切替部を有する場合には、選択された分岐部と切替部とが接続されるため、共振器の数を変更できる。つまり、さらに柔軟に帯域幅、帯域内及び外の周波数特性を調整できる。

［第１実施形態］
図１に、第１実施形態の信号選択装置の機能構成例を示す。信号選択装置１００は、２つの入出力ポート１１１、１１２と、Ｎ個の共振部１２０_１〜１２０_Ｎと、Ｎ＋１個のインピーダンス変換部１３０_０，１〜１３０_{Ｎ，Ｎ＋１}と、制御部１４０とを備える。共振部１２０_ｎは、共振周波数の１波長もしくはその整数倍の長さの環状導体１２１_ｎと、一端が環状導体１２１_ｎの異なる部位に接続され他端が接地導体に接続されたＭ個のスイッチ１２２_ｎ‐１〜１２２_ｎ‐Ｍとを有する。制御部１４０は、Ｎ×Ｍ個のスイッチ１２２_１‐１〜１２２_Ｎ‐Ｍの状態を制御する。各共振部１２０_１〜１２０_Ｎは、２つの入出力ポートの間に直列に配置されている。インピーダンス変換部１３０_０，１〜１３０_{Ｎ，Ｎ＋１}は、入出力ポートおよび共振部の間にそれぞれ配置されている。例えば、インピーダンス変換部１３０_{ｎ，ｎ＋１}は、共振部１２０_ｎと共振部１２０_ｎ＋１との間に配置され、共振部１２０_ｎと共振部１２０_ｎ＋１との間のインピーダンスを調整する。また、インピーダンス変換部１３０_０，１は、入出力ポート１１１側の外部と共振部１２０_１との間のインピーダンスを調整し、インピーダンス変換部１３０_{Ｎ，Ｎ＋１}は、共振部１２０_Ｎと入出力ポート１１２側の外部との間のインピーダンスを調整する。なお、環状導体１２１_ｎは、始点と終点とが同一の導体（伝送路）を意味し、形状を限定するものではない。つまり、図１では円環状が示されているが、形状は、円環状に限らず多角形やその他の形状でもかまわない。

図２に、共振部１２０_ｎの構成と無損失伝送線路モデルとを示す。図２（Ａ）は共振部１２０_ｎの構成を示している。図２（Ｂ）は共振部１２０_ｎの無損失伝送線路モデルを示している。Ｚ_ｉｎは点Ｐから環状導体１２１_ｎ方向を見た時の共振部の入力インピーダンスである。このモデルの入力インピーダンスＺ_ｉｎを求めることで、共振部１２０_ｎの作用を説明する。共振周波数ｆ_ｒにおいて、伝送線路１２１_ｎ‐１は電気長πで特性インピーダンスＺ_１の線路、伝送線路１２１_ｎ‐２は電気長θで特性インピーダンスＺ_２の線路、伝送線路１２１_ｎ‐３は電気長（π−θ）で特性インピーダンスＺ_３の線路とする。このモデルから明らかなように各伝送線路１２１_ｎ‐１、１２１_ｎ‐２、１２１_ｎ‐３の電気長を全て加えると２π、即ち３６０°となる。

伝送線路１２１_ｎ‐１および伝送線路１２１_ｎ‐２からなる経路Ｐ_Ａは、図２（Ａ）のオン状態のスイッチ１２２_ｎ‐３の位置までの反時計回りの経路を示し、伝送線路１２１_ｎ‐３からなる経路Ｐ_Ｂは、図２（Ａ）のオン状態のスイッチ１２２_ｎ‐３の位置までの時計回りの経路を示している。Ｚ_Ｌは、スイッチ１２２_ｎ‐３から接地までのインピーダンスを表している。

このとき入力インピーダンスＺ_ｉｎは、式（１）で与えられる。ｊは虚数単位である。

ただし、θ＝ｘ／Ｌ×２π（ｒａｄ）である。式（１）から分かるように、Ｚ_ｉｎはθが０もしくはπの整数倍以外では無限大となる。また、θが０もしくはπの整数倍のときにはＺｉｎ＝Ｚ_Ｌとなる。すなわち線路長（物理的な長さ）ｘが変化したとき、その長さを共振周波数における電気長に換算したときに０もしくはπの整数倍以外の場合には共振周波数は一定となる。次に、Ｚ_１、Ｚ_２、Ｚ_３を５０Ωにした場合の共振器単体でのサセプタンススロープパラメータのθに対する変化を図３に示す。なおサセプタンススロープパラメータｂは、以下の式から求められる。

ただし、Ｂ＝Ｉｍ（Ｙ_ｉｎ）
Ｙ_ｉｎ＝ １／Ｚ_ｉｎ
この図からθの値、すなわちオン状態にするスイッチを変えることで、サセプタンススロープパラメータｂを、共振周波数を変えることなく変更できることが分かる。また、式（２）から分かるように、サセプタンススロープパラメータｂとは、アドミタンスの虚数部分の周波数に対する変化度を示すものである。サセプタンススロープパラメータｂが大きいと、共振周波数からの差周波に対し大きくアドミタンスが変化するため、例えば並列共振を利用したバンドパスフィルタにおいては、帯域幅が狭くなる。また後述するが、このサセプタンススロープパラメータｂにより帯域内、帯域外の特性が決まる。すなわち信号選択装置に用いる共振部により、帯域幅および帯域内及び外の特性を変えることが可能で、かつ、サセプタンススロープパラメータｂの変更によって中心周波数を一定に保ちながら帯域幅が変更可能となる。

フィルタの帯域幅、帯域内及び外の特性を変えることが可能なデバイスについてこれまで述べたが、実際に帯域幅や他の特性を変えるには、オン状態にするスイッチ１２２_ｎ−ｍを、多くの中から適切に選択する必要がある。このため図１に示す信号選択装置１００では、制御部１４０によりオン状態にするスイッチ１２２_ｎ−ｍを選択する。制御部１４０がスイッチ１２２_ｎ−ｍを選択するに当たっては、オン状態にするスイッチ１２２_ｎ−ｍの位置と共振部１２０_ｎのサセプタンススロープパラメータｂとの関係、サセプタンススロープパラメータｂと信号選択装置１００の特性の関係を考慮する必要がある。スイッチ１２２_ｎ−ｍの位置とサセプタンススロープパラメータｂの関係については、既に図３を用いて説明しているので、ここではサセプタンススロープパラメータｂと信号選択装置１００の特性の関係を説明する。

図４は、図１の共振部とインピーダンス変換部の部分を示した図である。Ｎ個の共振部１２０_１〜１２０_Ｎと、Ｎ＋１個のインピーダンス変換部１３０_０，１〜１３０_{Ｎ，Ｎ＋１}があり、インピーダンス変換部１３０_０，１〜１３０_{Ｎ，Ｎ＋１}を、入出力ポート１１１、１１２および共振部１２０_１〜１２０_Ｎの間にそれぞれ配置している。アドミッタンス９１１、９１２は、入出力ポート１１１、１１２から外部を見た場合のポートアドミッタンスである。インピーダンス変換部１３０_０，１〜１３０_{Ｎ，Ｎ＋１}は、その後続に接続する構成部（例えば回路もしくは素子）のインピーダンスをその逆数に比例したインピーダンスに変換する。信号選択装置１００で用いる共振部１２０_ｎの環状導体１２１_ｎは、インピーダンス変換部１３０_{ｎ−１，ｎ}とインピーダンス変換部１３０_{ｎ，ｎ＋１}を結ぶ伝送線路に並列に接続されている。このような場合、インピーダンス変換部１３０_０，１〜１３０_{Ｎ，Ｎ＋１}は、特にアドミタンスインバータ、若しくはＪ‐インバータと呼ばれる。図５は一般的なＪ‐インバータの特性を説明するための構成図である。この図のＪ‐インバータの特性は、次式で与えられる。

つまり、Ｊ‐インバータのアドミタンスパラメータＪは、Ｊ‐インバータがアドミタンスを反転した後に何倍するかという係数である。

インピーダンス変換部１３０_{ｎ−１，ｎ}のアドミタンスパラメータＪ_{ｎ−１，ｎ}と、帯域幅（比帯域）、帯域内及び外の特性との関係は、以下の式のとおりである。

ここで、Ｇはポートアドミタンス、ｂ_ｎはｎ番目の共振部１２０_ｎのサセプタンススロープパラメータである。ｗは信号選択装置１００の比帯域、ｇ_ｎは原型低域フィルタの素子値で、これらは信号選択装置１００の帯域幅や帯域内及び外の特性を決めるものである。これらのパラメータが式（４）〜（６）の関係を満たすとき、所望の特性を持つ信号選択装置１００とすることができる。これらパラメータの内、比帯域ｗおよび原型低域フィルタの素子値ｇ_ｎは、目標とする信号選択装置１００の特性から定める。ポートアドミタンスＧは、信号選択装置１００の前段、後段の回路によって定まる。したがって、アドミタンスパラメータＪ_{ｎ−１，ｎ}かサセプタンススロープパラメータｂ_ｎを調整して式（４）〜（６）の関係を満たすようにする。

従来の信号選択装置（フィルタ）では、サセプタンススロープパラメータｂ_ｎを自由に変更できないため、サセプタンススロープパラメータｂ_ｎを固定し、比帯域ｗおよび原型低域フィルタの素子値ｇ_ｎを式（４）〜（６）して得られたアドミタンスパラメータＪ_{ｎ−１，ｎ}を有するＪ‐インバータを設計する必要があった。従来、Ｊ‐インバータとしてキャパシタがよく用いられるが、キャパシタの容量値を変更して帯域幅などを変化させようとした場合、Ｊ‐インバータとして働く周波数も変化してしまうため、中心周波数も変化してしまうことが問題であった。

これに対し本発明の信号選択装置１００の場合は、環状導体１２１_ｎを用いた共振部１２０_ｎを備えているので、サセプタンススロープパラメータｂ_ｎを自由に変更可能である。つまり、共振部１２０_ｎのサセプタンススロープパラメータｂ_ｎを変化させることで、信号選択装置１００の特性を変えることができる。したがって、信号選択装置１００の場合は、比帯域ｗおよび原型低域フィルタの素子値ｇ_ｎを定め、インピーダンス変換部１３０_{ｎ−１，ｎ}（Ｊ‐インバータ）のアドミタンスパラメータＪ_{ｎ−１，ｎ}を、用いた回路の特性から求める。そして、式（４）〜（６）が成立するサセプタンススロープパラメータｂ_ｎになるように、スイッチ１２２_ｎ‐１〜１２２_ｎ‐Ｍの中からオン状態にするするスイッチを選択すればよい。さらに、そこから帯域幅、帯域内及び外の特性を変更する際には、求める特性に合わせて制御部１４０がオン状態にするスイッチ１２２_１‐１〜１２２_Ｎ‐Ｍを変更すればよい。この際に共振部１２０_ｎの共振周波数は一定であり、アドミタンスパラメータＪ_{ｎ−１，ｎ}も変化しないため、中心周波数を一定にできる。なお、実際にはスイッチは有限個なので、取りうるサセプタンススロープパラメータｂ_ｎは離散的である。したがって、必要なサセプタンススロープパラメータｂ_ｎに最も近い値が得られるスイッチ１２２_１‐１〜１２２_Ｎ‐Ｍを選ぶこととなる。

上述のように、第１実施形態の信号選択装置は、環状導体とスイッチを有する共振部が、サセプタンススロープパラメータを、共振周波数と高い独立性を持って自由に変更できる。したがって、信号選択装置を求める特性とするための設計が容易となる。また、共振部のサセプタンススロープパラメータを変えることにより帯域幅、特性を変化することも可能である。

［第２実施形態］
第１実施形態では、本発明の信号選択装置を一般化して説明した。本実施形態では具体化して説明する。図６は、第２実施形態の信号選択装置の機能構成例を示した図である。信号選択装置２００は、入出力ポート２１１、２１２、３つの共振部２２０_１〜２２０_３、４つのインピーダンス変換部２３０_０，１〜２３０_３，４、制御部２４０を備えている。共振部２２０_ｎは、環状導体２２１_ｎを有している。なお、共振部２２０_ｎは、第１実施形態と同じようにスイッチも有しているが、図６では省略している。ポートインピーダンスが５０Ω、共振部２２０_１〜２２０_３の共振周波数が５ＧＨｚ、環状導体２２１_ｎの特性インピーダンスが５０Ωとする。説明の便宜上、オン状態のスイッチを選択することに替えて共振器に接続する接地の位置を変化させるものとする。スイッチの位置は図のとおりθ₁〜θ₃で表す。インピーダンス変換部２３０_０，１〜２３０_３，４は、特性インピーダンスが５０Ωで、長さが５ＧＨｚの４分の１波長の線路とする。このときインピーダンス変換部２３０_０，１〜２３０_３，４のアドミタンスパラメータは０．０２ Ｓである。ポートインピーダンスが５０Ωなので、ポートアドミタンスは０．０２ Ｓである。目標とする信号選択装置２００の特性を、中心周波数５ＧＨｚを共通として、バタワース特性の比帯域が３％と５％、チェビシェフ特性（リプル０．１ｄＢ）の比帯域が３％を切り替えるものとする。

まずバタワース特性の２つについて考える。３つの共振部２２０_１〜２２０_３のバタワース特性の場合、原型低域フィルタの素子値ｇ_０からｇ_４はそれぞれ、１、１、２、１、１である。比帯域がそれぞれ０．０３（３％）と０．０５（５％）であるから式（４）〜（６）を用いてサセプタンススロープパラメータｂ_１〜ｂ_３を求めると、比帯域３％の場合、ｂ_１＝０．６７、ｂ_２＝１．３３、ｂ_３＝０．６７となる。また、比帯域５％の場合、ｂ_１＝０．４、ｂ_２＝０．８、ｂ_３＝０．４となる。次にこれらを満たす接地の位置θ_１〜θ_３を求める。サセプタンススロープパラメータｂ_１〜ｂ_３と接地の位置θ_１〜θ_３は式（２）および図３に示されている。図３を用いて接地の位置θ_１〜θ_３を求めると、比帯域３％の場合、接地の位置θ_１〜θ_３は、およそ１８°、１３°、１８°と求まり、５％の場合はおよそ２３°、１６°、２３°と求まる。

次に比帯域３％のチェビシェフ特性の場合について考える。３つの共振部２２０_１〜２２０_３の０．１ｄＢリプルのチェビシェフ特性の場合、原型低域フィルタの素子値ｇ_０からｇ_４はそれぞれ、１、１．０３１５、１．１４７４、１．０３１５、１である。比帯域が０．０３であるから、式（４）〜（６）を用いてサセプタンススロープパラメータｂ_１〜ｂ_３を求めると、０．６９、０．７６、０．６９となる。これらのサセプタンススロープを得るための接地の位置θ_１〜θ_３は図３から、およそ１７°、１７°、１７°となる。

図７に、接地の位置を求めたとおりにした場合の信号選択装置２００の周波数特性を示す。このように接地の位置を変更することで、バタワース特性の比帯域が３％と５％、チェビシェフ特性（リプル０．１ｄＢ）の比帯域が３％とを切り替えることができる。つまり、オン状態のスイッチを選択することで、帯域内及び外の特性を変更できることが分かる。なお、接地の位置は今回のように図を用いるのではなく、解析的に導いてもかまわない。

［第３実施形態］
第２実施形態では、全てのインピーダンス変換部の特性が同一かつ不変であった。このようにすべてのインピーダンス変換部を同じにすれば、設計、製作が容易である。しかし、必ずしも同一かつ不変にする必要はなく、全て同一にしなくても良いし、可変にしてもかまわない。図８に第３実施形態の信号選択装置の機能構成例を示す。信号選択装置３００は、２つの入出力ポート３１１、３１２と、Ｎ個の共振部３２０_１〜３２０_Ｎと、Ｎ＋１個の特性が可変なインピーダンス変換部３３０_０，１〜３３０_{Ｎ，Ｎ＋１}と、制御部３４０とを備える。なお、図８ではすべてのインピーダンス変換部３３０_０，１〜３３０_{Ｎ，Ｎ＋１}が特性を可変としているが、特定の１つのみを可変としてもよい。共振部３２０_ｎは、共振周波数の１波長もしくはその整数倍の長さの環状導体３２１_ｎと、一端が環状導体３２１_ｎの異なる部位に接続され他端が接地導体に接続されたＭ個のスイッチ３２２_ｎ‐１〜３２２_ｎ‐Ｍとを有する。制御部３４０は、Ｎ×Ｍ個のスイッチ３２２_１‐１〜３２２_Ｎ‐Ｍの状態、およびインピーダンス変換部３３０_０，１〜３３０_{Ｎ，Ｎ＋１}の特性を制御する。各共振部３２０_１〜３２０_Ｎは、２つの入出力ポートの間に直列に配置されている。インピーダンス変換部３３０_０，１〜３３０_{Ｎ，Ｎ＋１}は、入出力ポートおよび共振部の間にそれぞれ配置されている。図８のような構成の場合、設計の自由度が高くなり、所望のフィルタ特性に設定しやすくなる。また、後述する２つの場合においてはインピーダンス変換部３３０_０，１〜３３０_{Ｎ，Ｎ＋１}（Ｊ‐インバータ）の特性を可変とする必要がある。

まず１つ目の場合について示すが、それは偶数個の共振部を用いた場合である。この説明のために、共振部を４つ、インピーダンス変換部を５つ用いた信号選択装置について説明する。図９は、図８の信号選択装置３００が、４つの共振部と５つのインピーダンス変換部を備える場合の共振部とインピーダンス変換部の部分を示した図である。例えば、４つの共振部３２０_１〜３２０_４からなる信号選択装置３００が、中心周波数５ＧＨｚ、比帯域５％、０．１ｄＢリプルのチェビシェフ特性を有するように設計する。まず、原型低域フィルタの素子値ｇ_０からｇ_５はそれぞれ、１、１．１０８８、１．３０６１、１．７７０３、０．８１８０、１．３５５４である。比帯域は０．０５である。第２実施形態では、全てのインピーダンス変換部（Ｊ‐インバータ）は５０Ωの４分の１波長線路であるから、アドミタンスパラメータを０．０２として各サセプタンススロープパラメータｂ_ｎを求めた。しかし、４つの共振部からなる信号選択装置の場合、すべてに同じアドミタンスパラメータを入れたのでは、式（４）〜（６）の関係を満足する解がない。これは、偶数段のチェビシェフ特性の場合、原型低域フィルタの素子値ｇ_ｎが、それらを順に並べた場合、対称的な値とならないからである。言い換えると、先頭から値を読み上げた場合と、最後尾から読み上げた場合で同じ数字の列にならないため、式（４）〜（６）の関係をすべて満たすには、最低１つのインピーダンス変換部のアドミタンスパラメータを他のものとは異なるようにしなければならない。なお、バタワース特性では必ず原型低域フィルタの素子値の列が対称的になるため、このようなことにはならない（すべてのインピーダンス変換部のアドミタンスパラメータが同一でよい）。つまり、偶数個の共振部を備える信号選択装置では、チェビシェフ特性とバタワース特性を切り替えるような場合、最低1つのインピーダンス変換部を可変にする必要がなる。また可変とするインピーダンス変換部はどこでも構わないが、中央のインピーダンス変換部が可変範囲を広くすることが可能なことから適している。その理由を、図９を用いて説明する。まず入出力ポートに最も近いインピーダンス変換部３３０_４，５を可変とする場合、比帯域５％、０．１ｄＢリプルのチェビシェフ特性にするためには、アドミタンスパラメータは０．０１７、サセプタンススロープパラメータｂ_１〜ｂ_４はそれぞれ、０．４４４、０．５２２、０．７０８、０．３２７となる。次に1つ内側のインピーダンス変換部３３０_３，４を可変とする場合は、アドミタンスパラメータは０．０２３、サセプタンススロープパラメータｂ_１〜ｂ_４はそれぞれ、０．４４４、０．５２２、０．７０８、０．４４３となる。中央のインピーダンス変換部３３０_２，３を可変とする場合、アドミタンスパラメータは０．０１７、サセプタンススロープパラメータｂ_１〜ｂ_４はそれぞれ、０．４４４、０．５２２、０．５２２、０．４４３である。中央のインピーダンス変換部３３０_２，３を可変とする場合のサセプタンススロープパラメータｂ_１〜ｂ_４は、インピーダンス変換部３３０_４，５やインピーダンス変換部３３０_３，４を可変とする場合のサセプタンススロープパラメータｂ_１〜ｂ_４に比べ、ばらつきが少ないことが分かる。共振部３２０_１〜３２０_４のサセプタンススロープパラメータｂ_１〜ｂ_４は接地の位置によって変化し、最大値はθが９０°のときに得られる。しかしその値は共振器を構成する環状の線路の特性インピーダンスによって決まるため、例えば特性インピーダンスが固定の線路で共振部を構成した場合は、その最大値は設計時に決まり変更ができない。サセプタンススロープｂ_１〜ｂ_４のばらつきが狭ければ、その共振部で適応できる範囲を広くできる。したがって、中央のインピーダンス変換部３３０_２，３を可変とする場合が、最も可変範囲を広くすることができる。

上述のように、第３実施形態の信号選択装置は、第１実施形態と同様の効果を得ることができるとともに、設計の自由度を増す効果、偶数個の共振部を備える信号選択装置と特性をチェビシェフ特性とバタワース特性とで切り替えることを可能にする効果も得ることができる。

［第４実施形態］
第３実施形態では、１つ目のインピーダンス変換部の特性を可変とする必要がある場合を説明した。本実施形態では２つ目の場合を説明する。図１０に第４実施形態の信号選択装置の機能構成例を示す。信号選択装置４００は、２つの入出力ポート４１１、４１２と、Ｎ個の共振部４２０_１〜４２０_Ｎと、Ｎ＋１個の特性が可変なインピーダンス変換部４３０_０，１〜４３０_{Ｎ，Ｎ＋１}と、制御部４４０とを備える。共振部４２０_ｎは、共振周波数の１波長もしくはその整数倍の長さの環状導体４２１_ｎと、一端が環状導体４２１_ｎの異なる部位に接続され他端が接地導体に接続されたＭ個のスイッチ４２２_ｎ‐１〜４２２_ｎ‐Ｍと、等間隔で環状導体４２１_ｎに接続された３つの可変リアクタンス手段４２３_ｎ‐１〜４２３_ｎ‐３を有する。制御部４４０は、Ｎ×Ｍ個のスイッチ４２２_１‐１〜４２２_Ｎ‐Ｍの状態、インピーダンス変換部４３０_０，１〜４３０_{Ｎ，Ｎ＋１}の特性、可変リアクタンス手段４２３_１‐１〜４２３_Ｎ‐３を制御する。各共振部４２０_１〜４２０_Ｎは、２つの入出力ポートの間に直列に配置されている。インピーダンス変換部４３０_０，１〜４３０_{Ｎ，Ｎ＋１}は、入出力ポートおよび共振部の間にそれぞれ配置されている。

信号選択装置４００では、共振部４２０_ｎに、等間隔に環状導体４２１_ｎに接続された３つの可変リアクタンス手段４２３_ｎ‐１〜４２３_ｎ‐３（図中ではＶＲと表記）を追加することで、共振周波数と零点を共に、かつ高い独立性をもって変更可能としている。共振周波数を変化させる場合、その周波数においてインピーダンスを適切に変化させる必要があるため、インピーダンス変換部４３０_０，１〜４３０_{Ｎ，Ｎ＋１}も可変でなければならない。

このように、共振部が、環状導体に適切な間隔を設けて接続された可変リアクタンス手段を有することで、帯域幅、帯域内及び外の特性に対して高い独立性を維持して中心周波数を変更することが可能である。さらに可変なインピーダンス変換回路により適切に帯域幅、帯域内及び外の周波数特性を調整可能である。
なお、本実施形態では３つの可変リアクタンス手段を有する場合を示したが、４つ以上の可変リアクタンス手段を有する場合でも同じ効果が得られる。

［変形例］
図１１に、図１０の可変リアクタンス手段を等間隔でない配置に変更した構成例を示す。図１１のような構成でも、可変リアクタンス手段の配置とリアクタンスを適宜設計すれば、中心周波数、帯域幅、帯域内及び外の周波数特性を変更可能である。例えば、信号選択装置４００’の場合であれば、可変リアクタンス手段４２３_ｎ‐２のリアクタンスを、可変リアクタンス手段４２３_ｎ‐１、４２３_ｎ‐３の１／２とすればよい。このように、可変リアクタンス手段の配置を変えても、第４実施形態と同様の効果が得られる。また、本変形例でも、可変リアクタンス手段を３つに限定する必要はなく、４つ以上でも同じ効果が得られる。

［第５実施形態］
図１２に、第５実施形態の信号選択装置の機能構成例を示す。信号選択装置５００は、第１実施形態の信号選択装置１００にＮ−１個の分岐部と切替部を追加した構成である。つまり、信号選択装置５００は、２つの入出力ポート５１１、５１２と、Ｎ個の共振部１２０_１〜１２０_Ｎと、Ｎ＋１個のインピーダンス変換部１３０_０，１〜１３０_{Ｎ，Ｎ＋１}と、制御部５４０と、Ｎ−１個の分岐部５３０_１，２〜５３０_{Ｎ−１，Ｎ}と、切替部５５０を備える。分岐部５３０_{ｎ，ｎ＋１}は、３つの端子を有し、所定の端子（１個）と他の端子（２個）との間の接続状態を切り替える。切替部５５０は、Ｎ＋１個の端子を有し、所定の端子（１個）と他の端子（Ｎ個）との間の接続状態を切り替える。切替部５５０は、所定の端子が入出力ポート５１２に接続され、その他の端子の１つがインピーダンス変換部１３０_{Ｎ，Ｎ＋１}に接続される（入出力ポート５１２とインピーダンス変換部１３０_{Ｎ，Ｎ＋１}との間に配置される）。分岐部５３０_{ｎ，ｎ＋１}は、インピーダンス変換部１３０_{ｎ，ｎ＋１}（入出力ポート５１１側）に所定の端子が接続され、共振部１２０_ｎ＋１にその他の端子の１つが接続される（インピーダンス変換部１３０_{ｎ，ｎ＋１}と共振部１２０_ｎ＋１との間に配置される）。分岐部５３０_{ｎ，ｎ＋１}の他の端子の１つは、切替部５５０の他の端子の１つに接続される。制御部５４０は、Ｎ×Ｍ個のスイッチ１２２_１‐１〜１２２_Ｎ‐Ｍの状態と、分岐部５３０_１，２〜１３０_{Ｎ−１，Ｎ}の接続状態と、切替部５５０の接続状態を制御する。

例えば、分岐部５３０_{ｎ，ｎ＋１}のすべてが、インピーダンス変換部１３０_{ｎ，ｎ＋１}と共振部１２０_ｎ＋１とを接続する状態であり、切替部５５０がインピーダンス変換部１３０_{Ｎ，Ｎ＋１}と入出力ポート５１２とを接続する状態の場合、信号選択装置５００は、Ｎ個の共振器を有する信号選択装置として動作する。１つの分岐部５３０_{ｎ，ｎ＋１}が、インピーダンス変換部１３０_{ｎ，ｎ＋１}と切替部５５０とを接続する状態であり、切替部５５０がインピーダンス変換部１３０_{ｎ，ｎ＋１}と入出力ポート５１２とを接続する状態の場合、信号選択装置５００は、ｎ個の共振器を有する信号選択装置として動作する。つまり、どの分岐部５３０_{ｎ，ｎ＋１}と切替部５５０とを接続するかを制御することによって、共振器の数を変更できる。したがって、さらに柔軟に帯域幅、帯域内及び外の周波数特性を調整できる。

［第６実施形態］
図１３に、第６実施形態の信号選択装置の機能構成例を示す。信号選択装置６００は、第３実施形態の信号選択装置３００にＮ−１個の分岐部６３０_１，２〜６３０_{Ｎ−１，Ｎ}と切替部６５０を追加した構成である。分岐部６３０_１，２〜６３０_{Ｎ−１，Ｎ}と切替部６５０の接続方法、制御方法、効果は第５実施形態と同じである。

［第７実施形態］
図１４に、第７実施形態の信号選択装置の機能構成例を示す。信号選択装置７００は、第４実施形態の信号選択装置４００にＮ−１個の分岐部７３０_１，２〜７３０_{Ｎ−１，Ｎ}と切替部７５０を追加した構成である。分岐部７３０_１，２〜７３０_{Ｎ−１，Ｎ}と切替部７５０の接続方法、制御方法、効果は第５実施形態と同じである。

［第８実施形態］
第１実施形態から第７実施形態では、環状導体が信号線に対して並列に接続されていた。本実施形態では、直列に接続した例を示す。図１５に本実施形態の信号選択装置の機能構成例を示す。信号選択装置８００は、第１実施形態の信号選択装置１００の共振部１２０_１〜１２０_Ｎを、共振部８２０_１〜８２０_Ｎに置き換えたものである。共振部８２０_ｎは、共振周波数の１波長もしくはその整数倍の長さの環状導体８２１_ｎと、一端が環状導体８２１_ｎの異なる部位に接続され他端が接地導体に接続されたＭ個のスイッチ８２２_ｎ‐１〜８２２_ｎ‐Ｍとを有する。共振部８２０_ｎ内の２つの信号線は、環状導体８２１_ｎに共振周波数における波長の２分の１波長の整数倍はなれた位置に接続されている。つまり、電気長でπの整数倍だけ離れた位置に接続されている。また、スイッチ８２２_ｎ‐ｍは、単に短絡させるスイッチに限る必要はなく、ある線路長を持つ伝送線路を介して短絡させるスイッチでもよいし、末端が開放状態の伝送線路を接続させるスイッチでもよい。

図２を用いて、環状導体１２１_ｎが信号線に並列に接続された場合を説明したが、その説明で、θ＝０とし、インピーダンスＺ_Ｌの部分を信号線にした場合が、共振部８２０_ｎに相当する。図２でθ＝０とした場合、共振器１２０_ｎの共振周波数でインピーダンスＺ_Ｌが入力インピーダンスＺ_ｉｎと等しくなると説明した。これはもしインピーダンスＺ_Ｌが短絡ではなく信号線であったならば、共振周波数において信号が伝搬することを意味し、フィルタとしての機能（信号選択の機能）を生じることになる。このように環状導体１２１_ｎを直列に接続した場合、すべてのスイッチ８２２_ｎ‐ｍがＯＦＦ状態の経路は、共振周波数における波長の２分の１波長の整数倍であるから、共振部８２０_ｎの周波数特性には影響を与えない。したがって、ＯＮ状態のスイッチ８２２_ｎ‐ｍが存在する経路のみが、共振部８２０_ｎの周波数特性に影響を与える。この点が共振部１２０_ｎの周波数特性を異なる点である。

このように、信号選択装置８００でも、第１実施形態の信号選択装置１００と同じように、環状導体とスイッチを有する共振部が、サセプタンススロープパラメータを、共振周波数と高い独立性を持って自由に変更できる。したがって、信号選択装置を求める特性とするための設計が容易となる。また、共振部のサセプタンススロープパラメータを変えることにより帯域幅、特性を変化することも可能である。なお、環状導体を直列に接続した場合には、実際にはリアクタンススロープパラメータ（サセプタンススロープパラメータと１対１の関係のパラメータ）を用いて共振部を設計するのが一般的である。

図１５に示した信号選択装置８００は、第１実施形態の信号選択装置１００の共振部１２０_１〜１２０_Ｎを、共振部８２０_１〜８２０_Ｎに置き換えたものであったが、第２実施形態から第７実施形態に示した信号選択装置２００、３００、４００、４００’、５００、６００、７００に、共振部８２０_１〜８２０_Ｎを用いてもよい。この場合も、同様の効果を得ることができる。

構成部の具体例
最後に、第１実施形態から第８実施形態で示した各構成部をどのような回路や素子で形成すればよいかを説明する。
本発明の信号選択装置で用いるインピーダンス変換部については、図１６に示すように、（Ａ）特性インピーダンスＺの共振周波数で４分の１波長の長さとなる伝送線路、（Ｂ）コンデンサ、（Ｃ）コイル、（Ｄ）電磁誘導結合された線路、（Ｅ）これらの組み合わせなどがあり得る。また、可変なインピーダンス変換回路については図１７に示すように、（Ａ）特性インピーダンスＺの共振周波数で４分の１波長の長さとなる伝送線路に可変コンデンサを並列接続したもの、（Ｂ）可変コンデンサ、（Ｃ）可変コイル、（Ｄ）可変に電磁結合された線路、（Ｅ）共振周波数で４分の１波長の長さであり特性インピーダンスが異なる２種類の伝送線路を切り替えるもの、（Ｆ）特性インピーダンスが同じであり異なる共振周波数で４分の１波長の長さとなる２種類の伝送線路を切り替えるものなどがあり得る。ただし、ここで示した回路の例に限ったものではない。また本発明による信号装置で用いる共振部に関して、これまで円環状の線路を用いているが、これについても円環状の線路に限ったものではなく、円環以外の構造であってもかまわない。

図１８に環状導体を直列に接続した場合のスイッチの構成例を示す。環状導体を直列に接続した場合のスイッチの種類としては、（Ａ）短絡させるスイッチ、（Ｂ）伝送線路を介して短絡させるスイッチ、（Ｃ）末端が開放状態の伝送線路を接続させるスイッチが考えられる。なお、スイッチごとに種類を変えてもよいし、伝送線路の長さを変えてもよい。また、伝送線路の長さが可変なスイッチを用いてもよい。

図１９に制御部の機能構成例を示す。図１９（Ａ）は、第１実施形態、第２実施形態、第８実施形態の制御部１４０、２４０、８４０の機能構成例である。デコーダ１４１、２４１、８４１はプリセットされた複数の状態を切り替えるもので、それぞれの状態を指定する信号を入力された場合、その状態に対応するスイッチを選択してオン状態にするようスイッチ制御手段１４２、２４２、８４２に指示を出す。スイッチ制御手段１４２、２４２、８４２は、その指示に従って共振部１２０_１〜１２０_Ｎ、２２０_１〜２２０_３、８２０_１〜８２０_Ｎのスイッチの状態を制御する。図１９（Ｂ）は、第３実施形態の制御部３４０の機能構成例である。デコーダ３４１は、デコーダ１４１、２４１の機能に加えて、インピーダンス変換部の特性を制御する。デコーダ３４１は、入力信号に応じてインピーダンス変換部制御手段３４３にも指示を出す。インピーダンス変換部制御手段３４３は指示に応じてインピーダンス変換部３３０_０，１〜３３０_{Ｎ，Ｎ＋１}の特性を変化させる。図１９（Ｃ）は、第４実施形態の制御部４４０の機能構成例である。デコーダ４４１は、デコーダ３４１の機能に加えて、可変リアクタンス手段の特性を制御する。デコーダ４４１は、入力信号に応じて可変リアクタンス手段制御手段４４４にも指示を出す。可変リアクタンス手段制御手段４４４は、指示に応じて可変リアクタンス手段の特性を変化させる。また、図１９の各図に点線で示している分岐部制御手段５４８、６４８、７４８および切替部制御手段５４９、６４９、７４９は、第５実施形態から第７実施形態のように分岐部と切替部とを備える場合に追加される構成手段である。この場合、制御部は分岐部と切替部も制御する。したがって、デコーダ１４１、２４１、３４１、４４１、８４１は、入力信号に応じて分岐部制御手段５４８、６４８、７４８および切替部制御手段５４９、６４９、７４９にも指示を出す。分岐部制御手段５４８、６４８、７４８および切替部制御手段５４９、６４９、７４９は、指示に応じて分岐部と切替部の接続状態を変化させる。

図２０に制御部の別の機能構成例を示す。図２０（Ａ）は、第１実施形態、第２実施形態の制御部１４０、２４０の機能構成例である。処理手段１４５、２４５は、入力信号として帯域幅ｗ、帯域内及び外特性（バタワース特性か、リップル何ｄＢのチェビシェフ特性かなど）を受信する。処理手段１４５、２４５は、入力信号からどのスイッチをオン状態とするかを求め、スイッチ制御手段１４６、２４６に指示を出す。スイッチ制御手段１４６、２４６は、その指示に従って共振部１２０_１〜１２０_Ｎ、２２０_１〜２２０_３のスイッチの状態を制御する。図２０（Ｂ）は、第３実施形態の制御部３４０の機能構成例である。処理手段３４５は、処理手段１４５、２４５の機能に加えて、インピーダンス変換部の特性を制御する。処理手段３４５は、入力信号からどのようにインピーダンス変換部の特性を変えるのかも求め、インピーダンス変換部制御手段３４７にも指示を出す。インピーダンス変換部制御手段３４７は指示に応じてインピーダンス変換部３３０_０，１〜３３０_{Ｎ，Ｎ＋１}の特性を変化させる。図２０（Ｃ）は、第４実施形態の制御部４４０の機能構成例である。処理手段４４５は、処理手段３４５の機能に加えて、可変リアクタンス手段の特性を制御する。処理手段４４５への入力信号には、中心周波数の情報も含まれる。処理手段４４５は、入力信号からどのように可変リアクタンス手段を変えるのかも求め、可変リアクタンス手段制御手段４４８にも指示を出す。可変リアクタンス手段制御手段４４８は、指示に応じて可変リアクタンス手段の特性を変化させる。また、図２０の各図に点線で示している分岐部制御手段５４８、６４８、７４８および切替部制御手段５４９、６４９、７４９は、第５実施形態から第７実施形態のように分岐部と切替部とを備える場合に追加される構成手段である。処理手段１４５、２４５、３４５、４４５、８４５は、入力信号に応じて分岐部制御手段５４８、６４８、７４８および切替部制御手段５４９、６４９、７４９にも指示を出す。分岐部制御手段５４８、６４８、７４８および切替部制御手段５４９、６４９、７４９は、指示に応じて分岐部と切替部の接続状態を変化させる。

図２１に、処理手段の機能構成例を示す。図２１（Ａ）は、演算ユニット、記憶ユニット、制御ユニットで構成された例を示している。演算ユニット１４５１は、帯域幅や帯域内及び外特性などの情報を用いて、式（４）〜（６）からサセプタンススロープパラメータを求め、このサセプタンススロープパラメータからθを求める。そして、記憶ユニット１４５２に記憶されたスイッチの位置情報などを利用して、そのθに最も近いスイッチを選択してオン状態にするように、制御ユニット１４５３に指示する。制御ユニット１４５３は、その指示に従って、スイッチ制御手段、インピーダンス変換部制御手段、可変リアクタンス手段制御手段、分岐部制御手段、切替部制御手段を制御する。図２１（Ｂ）は、検索ユニット、記憶ユニット、制御ユニットで構成された例を示している。この場合、記憶ユニット１４５５には、例えばＬｏｏｋｕｐ Ｔａｂｌｅが記憶されている。検索ユニット１４５４は、入力信号で指示された条件に最も近い条件をＬｏｏｋｕｐ Ｔａｂｌｅから探し、そのときのスイッチ、インピーダンス制御部、可変リアクタンス手段、分岐部制御手段、切替部制御手段の状態の情報を得る。そして、制御ユニット１４５６に指示する。また、図２１（Ａ）と図２１（Ｂ）とを組み合わせることも考えられ、入力信号で指示された条件がＬｏｏｋｕｐ Ｔａｂｌｅから見つかった時は、その条件を利用し、見つからない時は演算する方法などもある。

特性が可変なインピーダンス変換部については、特性を離散的に変化させる機構の場合（例えば複数のスイッチを用いて特性を制御させるような場合）は、インピーダンス変換部制御手段としてデジタル可変インピーダンス変換回路制御回路を用いればよい。また、連続的に特性を変化させる場合（例えばダイオードを用いたバラクタを用いるような場合）は、制御ユニットの内部にＤ／Ａコンバータのような可変インピーダンス変換回路制御回路を用いればよい。これらについては、可変リアクタンス手段制御手段も同様である。

第１実施形態の信号選択装置の機能構成例を示す図。 共振部の構成と無損失伝送線路モデルとを示す図。 共振器単体でのサセプタンススロープパラメータのθに対する変化を示す図。 共振部とインピーダンス変換部の部分を示す図。 一般的なＪ‐インバータの特性を説明するための構成図。 第２実施形態の信号選択装置の機能構成例を示す図。 接地の位置を求めたとおりにした場合の信号選択装置２００の周波数特性を示す図。 第３実施形態の信号選択装置の機能構成例を示す図。 ４つの共振部と５つのインピーダンス変換部を備える場合の共振部とインピーダンス変換部の部分を示す図。 第４実施形態の信号選択装置の機能構成例を示す図。 可変リアクタンス手段の配置を変更した構成例を示す図。 第５実施形態の信号選択装置の機能構成例を示す図。 第６実施形態の信号選択装置の機能構成例を示す図。 第７実施形態の信号選択装置の機能構成例を示す図。 第８実施形態の信号選択装置の機能構成例を示す図。 インピーダンス変換部の具体例を示す図。 可変なインピーダンス変換部の具体例を示す図。 環状導体を直列に接続した場合のスイッチの構成例を示す図。 制御部の機能構成例を示す図。 制御部の別の機能構成例を示す図。 処理手段の機能構成例を示す図。

符号の説明

１００、２００、３００、４００、５００、６００、７００、８００ 信号選択装置
１１１、１１２、２１１、２１２、３１１、３１２、４１１、４１２、５１１、５１２、６１１、６１２、７１１、７１２、８１１、８１２ 入出力ポート
１２０、２２０、３２０、４２０、８２０ 共振部
１２１、２２１、３２１、４２１、８２１ 環状導体
１２２、２２２、３２２、４２２、８２２ スイッチ
１３０、２３０、３３０、４３０ インピーダンス変換部
１４０、２４０、３４０、４４０、５４０、６４０、７４０、８４０ 制御部
４２３ 可変リアクタンス手段

Claims (8)

1. ２つの入出力ポートと、
   共振周波数の１波長もしくはその整数倍の長さの環状導体と、一端が前記環状導体の異なる部位に接続され他端が接地導体に接続された複数のスイッチとを有する複数の共振部と、
   インピーダンスを調整する複数のインピーダンス変換部と、
   前記スイッチの状態を制御する制御部と
   を備え、
   ２つの前記入出力ポートの間に、前記共振部が直列に配置され、前記インピーダンス変換部が前記入出力ポートおよび前記共振部の間にそれぞれ配置されている信号選択装置。
2. 請求項１記載の信号選択装置であって、
   少なくとも１つの前記インピーダンス変換部が特性を変更でき、
   前記制御部が、特性を変更できる前記インピーダンス変換部の特性も制御できる
   ことを特徴とする信号選択装置。
3. 請求項１記載の信号選択装置であって、
   前記共振部を奇数個備え、
   前記インピーダンス変換部の特性が同一である
   ことを特徴とする信号選択装置。
4. 請求項３記載の信号選択装置であって、
   すべての前記インピーダンス変換部は特性を変更でき、
   前記制御部が、すべての前記インピーダンス変換部の特性を、同一に保ちながら制御できる
   ことを特徴とする信号選択装置。
5. 請求項１記載の信号選択装置であって、
   前記共振部を偶数個備え、
   少なくとも１つの前記インピーダンス変換部が特性を変更でき、
   前記制御部が、特性を変更できる前記インピーダンス変換部の特性も制御できる
   ことを特徴とする信号選択装置。
6. 請求項５記載の信号選択装置であって、
   特性を変更できる前記インピーダンス変換部に、真ん中に配置された前記インピーダンス変換部が含まれている
   ことを特徴とする信号選択装置。
7. 請求項２、４から６のいずれかに記載の信号選択装置であって、
   前記共振部が、前記環状導体に接続された３以上の可変リアクタンス手段も有し、
   前記制御部が、前記可変リアクタンス手段の状態も制御できる
   ことを特徴とする信号選択装置。
8. 請求項１から７のいずれかに記載の信号選択装置であって、
   ３つの端子を有し、所定の端子と他の端子との間の接続状態を切り替える１以上の分岐部と、
   ３つ以上の端子を有し、所定の端子と他の端子との間の接続状態を切り替える切替部
   も備え、
   前記切替部は、いずれか一方の前記入出力ポートに所定の端子が接続された状態で、当該入出力ポートと前記インピーダンス変換部との間に配置され、
   前記分岐部は、他方の前記入出力ポート側に所定の端子が接続された状態で、前記インピーダンス変換部と前記共振部の間に配置され、
   前記分岐部の他の端子の１つが、前記切替部の他の端子の１つに接続され、
   前記制御部が、前記分岐部と前記切替部の接続状態も制御できる
   ことを特徴とする信号選択装置。

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