JP2009272752A - 透過型導波路バンドパスフィルタ及びその設計方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】本発明は、広帯域な透過域を有するバンドパスフィルタの提供を目的とする。
【解決手段】本発明に係る透過型導波路バンドパスフィルタ90は、変化のある不均一な幅w(z)と変化のある不均一な間隔s(z)によって局所的な偶モードの特性インピーダンスZeven(z)及び奇モードの特性インピーダンスZodd(z)を導波路の特性インピーダンスZ0に対して変化させたことを特徴とする。ここで、導波路の特性インピーダンスとは、透過型導波路バンドパスフィルタ90のポートにおけるインピーダンスをいう。
【選択図】図1
【解決手段】本発明に係る透過型導波路バンドパスフィルタ90は、変化のある不均一な幅w(z)と変化のある不均一な間隔s(z)によって局所的な偶モードの特性インピーダンスZeven(z)及び奇モードの特性インピーダンスZodd(z)を導波路の特性インピーダンスZ0に対して変化させたことを特徴とする。ここで、導波路の特性インピーダンスとは、透過型導波路バンドパスフィルタ90のポートにおけるインピーダンスをいう。
【選択図】図1
Description
本発明は、超広帯域(UWB)無線システム用のフィルタに関し、特に、米国連邦通信委員会(FCC)が定めているスペクトルマスクを満足させるバンドパスフィルタ及びその設計方法に関する。
超広帯域(UWB)無線システムの無線局のフィルタとして、共振型デバイス、反射型デバイスが提案されている(例えば、非特許文献1参照。)。
また、結合線路によるフィルタの設計方法も報告されている(例えば、非特許文献2参照。)。
C−Y.Chen andC−Y.Hsu,"Designofa UWB low inserion loss bandpass filter with spurious response suppression,"microwave J.,pp.112−116,Feb.2006. G−B.Xiao,K.Yashiro,N.Guan,and S.Ohkawa、"An effective method for designing nonuniformly coupled transmission−line filters,"IEEE Trans.Microwave Theory Tech.,vol.49,pp.1027−1031,June 2001.
また、結合線路によるフィルタの設計方法も報告されている(例えば、非特許文献2参照。)。
C−Y.Chen andC−Y.Hsu,"Designofa UWB low inserion loss bandpass filter with spurious response suppression,"microwave J.,pp.112−116,Feb.2006. G−B.Xiao,K.Yashiro,N.Guan,and S.Ohkawa、"An effective method for designing nonuniformly coupled transmission−line filters,"IEEE Trans.Microwave Theory Tech.,vol.49,pp.1027−1031,June 2001.
しかし、共振型デバイスを用いた広帯域フィルタは、設計手法が複雑である。そして、共振型デバイスは、比帯域幅が小さく、広帯域バンドパスフィルタに利用することが困難であった。比帯域幅とは、帯域幅を中心周波数で規格化したしたものをいう。
また、反射型デバイスは、使用上サーキュレータや方向性結合器がさらに必要であり、システム構成が複雑になる。
不均一伝送線路によるフィルタ設計方法では、広帯域フィルタの設計例は提示されていない。
そこで、本発明は、広帯域な透過域を有するバンドパスフィルタの提供を目的とする。
本発明に係る透過型導波路バンドパスフィルタは、変化のある不均一な幅と変化のある不均一な間隔によって局所的な偶モードの特性インピーダンス及び奇モードの特性インピーダンスを導波路の特性インピーダンスに対して変化させた2本のマイクロストリップラインからなる方向性結合器を備えることを特徴とする。ここで、導波路の特性インピーダンスとは、透過型導波路バンドパスフィルタにおける入出力ポートに接続される伝送線路の特性インピーダンスをいう。
具体的には、本発明に係る透過型導波路バンドパスフィルタは、誘電体基板と、前記誘電体基板の一方の面に形成されたグランド板と、前記誘電体基板の他方の面に形成されている2本のマイクロストリップラインからなる方向性結合器と、を備え、前記2本のマイクロストリップラインは、変化のある不均一な幅と変化のある不均一な間隔によって、前記誘電体基板の横断面における電界分布が前記2本のマイクロストリップライン間の中央線に対して対称になる偶モード及び反対称になる奇モードの特性インピーダンスを導波路の特性インピーダンスに対して変化させ、前記マイクロストリップラインの形状は、前記マイクロストリップラインの幅及び前記2本のマイクロストリップラインの間隔が極大又は極小となるピークのうち、少なくとも前記ピーク間の長手方向の距離が、透過域となる周波数帯域の上限周波数の実効波長よりも短いものを含むことを特徴とする。
マイクロストリップラインの幅及びの間隔が極大又は極小となるピークのうち、少なくとも前記ピーク間の長手方向の距離が、透過域となる周波数帯域の上限周波数の実効波長よりも短いものを含むので、透過域内の周波数特性を比較的自由に設定することができる。局所的な偶モード及び奇モードの特性インピーダンスの制御によって比帯域幅を大きくすることで、広帯域な透過域を有するバンドパスフィルタとすることができる。
本発明に係る透過型導波路バンドパスフィルタでは、前記2本のマイクロストリップラインは、それぞれ、片方のポートが無反射終端されていることが好ましい。
本発明に係る透過型導波路バンドパスフィルタでは、前記無反射終端は、前記導波路の特性インピーダンスで終端されていることが好ましい。
本発明に係る透過型導波路バンドパスフィルタでは、前記2本のマイクロストリップラインは、長手方向の側線の少なくとも一方が中心線に対して線対称であることが好ましい。ここで、線対称とは、微視的な意味での線対称であって、マイクロストリップラインの長手方向の中心線が曲がっている場合は当該側線が中心線に沿って線対称であればよい。
本発明に係る透過型導波路バンドパスフィルタでは、前記2本のマイクロストリップラインの間隙の形状は、長手方向の中心線に対して線対称であることが好ましい。ここで、線対称とは、微視的な意味での線対称であって、マイクロストリップラインの長手方向の中心線が曲がっている場合は当該側線が中心線に沿って線対称であればよい。
本発明に係る透過型導波路バンドパスフィルタでは、前記2本のマイクロストリップラインは、長手方向の側線の一方が直線であることが好ましい。ここで、直線とは、微視的な意味での直線であって、マイクロストリップラインの長手方向の中心線が曲がっている場合はマイクロストリップラインを曲げた形状をいう。
本発明に係る透過型導波路バンドパスフィルタの設計方法は、誘電体基板と、誘電体基板の一方の面に形成されたグランド板と、前記誘電体基板の他方の面に形成されている2本のマイクロストリップラインからなる方向性結合器を備える透過型導波路バンドパスフィルタの設計方法であって、前記透過型導波路バンドパスフィルタの周波数特性を設定する設定ステップと、前記誘電体基板の横断面における電界分布が前記2本のマイクロストリップライン間の中央線に対して対称になる偶モード及び反対称になる奇モードの特性インピーダンスを、前記設定ステップで設定した周波数特性となるように、偶モードの局所的な特性インピーダンスが奇モードの局所的な特性インピーダンスよりも常に大きくなる条件下でZakharov−Shabat方程式の逆散乱問題を解くことによって算出する算出ステップと、前記誘電体基板の厚さ及び比誘電率を設定し、前記算出ステップで算出した偶モード及び奇モードの局所的な特性インピーダンスとなる前記マイクロストリップラインの幅及び間隔を決定する決定ステップと、を順に有することを特徴とする。
周波数特性、導波路の特性インピーダンス、誘電体基板の厚さ及び比誘電率を設定することで、2本のマイクロストリップラインの幅及び間隔を決定することができる。決定したマイクロストリップラインの幅を形成することで、透過域内の周波数特性を比較的自由に設定することができる。
本発明に係る透過型導波路バンドパスフィルタでは、前記設定ステップにおいて、透過域の周波数特性にカイザー窓関数をかけることが好ましい。
設定する周波数特性にカイザー窓関数をかけることで、透過域と阻止域の反射率の差を制御することができる。これにより、透過域において10dBを超える超広帯域無線情報通信用バンドパスフィルタとすることができる。
また、透過域と阻止域の反射率の差を増やすと、遷移周波数領域が拡大するが、透過域が増える。そうすることで、製造誤差の許容値を拡大させることができる。
さらに、カイザー窓関数の設定値によって透過域と阻止域の境界を急峻にしたり、透過域における群遅延の変動も小さくしたりすることもできる。
設定する周波数特性にカイザー窓関数をかけることで、透過域と阻止域の反射率の差を制御することができる。これにより、透過域において10dBを超える超広帯域無線情報通信用バンドパスフィルタとすることができる。
また、透過域と阻止域の反射率の差を増やすと、遷移周波数領域が拡大するが、透過域が増える。そうすることで、製造誤差の許容値を拡大させることができる。
さらに、カイザー窓関数の設定値によって透過域と阻止域の境界を急峻にしたり、透過域における群遅延の変動も小さくしたりすることもできる。
本発明によれば、局所的な特性インピーダンスの制御によって比帯域幅を大きくすることで、広帯域な透過域を有するバンドパスフィルタとすることができる。
添付の図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。以下に説明する実施の形態は本発明の構成の例であり、本発明は、以下の実施の形態に制限されるものではない。
図1は、本実施形態に係る透過型導波路バンドパスフィルタの一例であり、(a)は斜視図、(b)は2本のマイクロストリップラインの上面図を示す。透過型導波路バンドパスフィルタ90は、誘電体基板11と、誘電体基板11の一方の面に形成されているグランド板12と、マイクロストリップライン13a、13bからなる方向性結合器を備える。w(z)はマイクロストリップライン13a及び13bの幅、s(z)はマイクロストリップライン13a及び13bの間隔、hは誘電体基板11の厚さ、εrは誘電体基板11の比誘電率を示す。
図1は、本実施形態に係る透過型導波路バンドパスフィルタの一例であり、(a)は斜視図、(b)は2本のマイクロストリップラインの上面図を示す。透過型導波路バンドパスフィルタ90は、誘電体基板11と、誘電体基板11の一方の面に形成されているグランド板12と、マイクロストリップライン13a、13bからなる方向性結合器を備える。w(z)はマイクロストリップライン13a及び13bの幅、s(z)はマイクロストリップライン13a及び13bの間隔、hは誘電体基板11の厚さ、εrは誘電体基板11の比誘電率を示す。
マイクロストリップライン13a及び13bは、ポート1、ポート2、ポート3及びポート4の終端では同じ特性インピーダンスZ0を有し、各終端は特性インピーダンスZ0で終端されている。方向性結合器はポート1より信号を入力し、ポート2より信号を出力する。方向性結合器の伝搬モードは横断面における電界分布が中央線23に対して対称になる偶モードおよび中央線23に対して反対称になる奇モードに分けることができる。このとき、導波路の長手方向はz方向であるので、偶モード及び奇モードの局所的な特性インピーダンスは、それぞれ、Zeven(z)及びZodd(z)で表される。
マイクロストリップライン13a及び13bは、それぞれ、変化のある不均一な幅w(z)と変化のある不均一な間隔s(z)によって局所的な偶モードの特性インピーダンスZeven(z)及び奇モードの特性インピーダンスZodd(z)を導波路の特性インピーダンスZ0に対して変化させる。本実施形態ではマイクロストリップライン13a及び13bの長手方向をz方向とした。ここで、導波路の特性インピーダンスZ0は、マイクロストリップライン13a及び13bの入出力ポートのインピーダンスである。
また、マイクロストリップライン13a及び13bの形状は、マイクロストリップライン13a及び13bの幅w(z)及び2本のマイクロストリップライン13a及び13bの間隔s(z)が極大又は極小となるピークのうち、少なくとも前記ピーク間の長手方向の距離が、透過域となる周波数帯域の上限周波数の実効波長よりも短いものを含む。例えば、幅w(z)及び間隔s(z)をエレクトリカルポジション当りで表した場合に、幅w(z)と間隔s(z)に、極大又は極小となるピークが10個以上現れる。このとき、後述する実施例にて明らかとなるが、透過域において良好な透過特性及び群遅延特性が得られた。
マイクロストリップライン13a及び13bの形状は限定しない。例えば、後述の図5(b)に示すように、マイクロストリップライン13a及び13bの間隙の形状は、長手方向の中心線22に対して線対称である。すなわち、側線21aと21bが中心線22に対して線対称である。また、側線21cと21dが中心線22に対して線対称であってもよい。ここで、線対称とは、微視的な意味での線対称である。つまり、側線21a及び21bが線対称である場合、側線21a及び21bは、マイクロストリップライン13a及び13bを曲げた形状となる。
また、側線21a、21b、21c又は21dのいずれかが、直線であってもよい。例えば、後述の図5(c)に示すように、側線21dが直線であってもよい。また、後述の図5(d)に示すように、側線21bが直線であってもよい。ここで、直線とは、微視的な意味での直線である。つまり、長手方向の中心線22が直線であり、かつ、側線21a及び21bが直線である場合、側線21a及び21bは、マイクロストリップライン13a及び13bを曲げた形状となる。
本実施形態に係る透過型導波路バンドパスフィルタ90の設計方法について説明する。透過型導波路バンドパスフィルタ90の設計方法は、設定ステップS101と、算出ステップS102と、決定ステップS103と、を順に有する。本設計方法を用いることで、本実施形態に係る透過型導波路バンドパスフィルタ90を作製することができる。ここで、本実施形態に係る透過型導波路バンドパスフィルタ90は、誘電体基板11の一方の面に形成されたグランド板12と、誘電体基板11の他方の面に形成され、変化のある不均一な幅w(z)と変化のある不均一な間隔s(z)によって局所的な偶モードの特性インピーダンスZeven(z)及び奇モードの特性インピーダンスZodd(z)を導波路の特性インピーダンスZ0に対して変化させた2本のマイクロストリップライン13a及び13bからなる方向性結合器を備える。
設定ステップS101では、透過型導波路バンドパスフィルタ90の周波数特性を設定する。ここで、透過域の周波数特性にカイザー窓関数をかけることが好ましい。設定する周波数特性にカイザー窓関数をかけることで、透過域と阻止域の反射率の差を制御することができる。
算出ステップS102では、設定ステップS101で設定した周波数特性となる偶モードの局所的な特性インピーダンスZeven(z)及び奇モードの局所的な特性インピーダンスZodd(z)を、Zakharov−Shabat方程式の逆散乱問題を解くことによって算出する。マイクロストリップライン13a及び13bは不均一伝送線路であることから、マイクロストリップライン13a及び13bを不均一分布定数回路として扱うことが可能であることに基づく。
決定ステップS103では、誘電体基板11の厚さh及び比誘電率εrを設定し、算出ステップS102で算出した偶モードの局所的な特性インピーダンスZeven(z)及び奇モードの局所的な特性インピーダンスZodd(z)となるマイクロストリップライン13a及び13bの幅w(z)及び間隔s(z)を決定する。
算出ステップS102の原理について説明する。
図2は、不均一伝送線路の等価回路を示す回路図である。不均一伝送線路は、不均一分布定数回路で表すことができる。このため、伝送線路の長手方向がz方向の場合、線路電圧v(z,t)と線路電流i(z,t)の間に次の関係式が成り立つ。
ただし、L(z)、C(z)はそれぞれ伝送線路における単位長さ当りのインダクタンス及びキャパシタンスである。
図2は、不均一伝送線路の等価回路を示す回路図である。不均一伝送線路は、不均一分布定数回路で表すことができる。このため、伝送線路の長手方向がz方向の場合、線路電圧v(z,t)と線路電流i(z,t)の間に次の関係式が成り立つ。
Zakharov−Shabatの逆散乱問題とは、数式(5)を満足する解のスペクトルデータからポテンシャルq(x)を合成することである。すなわち、不均一伝送線路の設計もZakharov−Shabatの逆散乱問題を解くことに帰着する。
ポテンシャルq(x)が求められれば、局所的な特性インピーダンスZ(x)は、次式のように求まる。
ただし、Z0は導波路の特性インピーダンスである。また、ポテンシャルq(x)は、x空間の反射係数r(x)より求めることができる。数式(7)によって得られた局所的な特性インピーダンスZ(x)をマイクロストリップラインやストリップラインなどの不均一伝送線路で実現すれば、電力波振幅φ1及びφ2の周波数特性を制御することができる。すなわち、所望の周波数特性を有するバンドパスフィルタが得られる。
図1(b)に示すマイクロストリップライン13a及び13bは、終端では同じ特性インピーダンスZ0を有し、各終端は導波路の特性インピーダンスZ0で終端されているものとする。方向性結合器の伝搬モードは、横断面における電界分布が中心線22に対して対称になる偶モードと、中心線22に対して反対称になる奇モードに分けることができる。このとき、偶モードの特性インピーダンスZeven及び奇モードの特性インピーダンスZoddが、次式
の関係を満たせば、ポート1に入力されて+z方向に伝搬する電力波振幅φ1と−z方向に伝搬してポート2から出力する電力波振幅φ2は、数式(5)に示すZakharov−Shabat方程式を満たす。
ポテンシャルq(x)が求められれば、偶モードの局所的な特性インピーダンスZeven(x)は、次式のように求まる。
得られた局所的な特性インピーダンスZeven(x)をみたすマイクロストリップライン13a及び13bで実現すれば、所望のバンドパスフィルタが得られる。
上記のように、Zakharov−Shabatの逆散乱問題を解くことによって数式(10)から所望の偶モードの局所的な特性インピーダンスZeven(x)が得られるが、Zeven(x)>Zodd(x)となる関係の強結合が要求されることがある。
具体的には、図1に示すマイクロストリップライン13a及び13bの伝送線路の横断面における電界は、偶モードでは、結合線路の中央線23に対して対称に分布し、中央線23では水平成分をもたない。このため、中央線23において磁気壁が形成される。それに対して、奇モードでは、中央線23に対して反対称に分布し、中央線23では水平成分しかもたない。このため、中央線23において電気壁が形成される。電気壁の形成によって、図1に示すマイクロストリップライン13a及び13bでは、中央線23上に等価的にグランドが存在している状況となる。
数式(8)で分かるように、Zeven<Z0であれば、Zeven>Zoddが満たされない。そこで、逆散乱問題で得られた特性インピーダンスZeven(x)に変調をかけ、常にZeven(x)>Zodd(x)が満たされるようにする。具体的には、特性インピーダンスZeven(x)の代わりに、窓関数W(x)を掛けた特性インピーダンスZ’even(x)を用いる。
数式(11)におけるa、x0、b、mは定数であり、Zeven(x)>Zodd(x)が満たされるように適切に選ぶ。また、数式(11)の右辺第2項はスーパーガウシアンと呼ばれる関数であり、x0近傍に滑らかに重みをかける窓関数の役割を果たす。この方法を用いることにより、z方向の限定的な位置において、Zeven(z)及びZodd(z)に変調をかけられる。その結果、周波数特性に与える影響は主に低周波数領域に限ることができる。
決定ステップS103では、偶モードインピーダンスZeven(z)及び奇モードインピーダンスZodd(z)より、2本のマイクロストリップラインの幅w(z)及び間隔s(z)を決定する。例えば、マイクロストリップライン13a及び13bの間隔s(z)、誘電体基板11の厚さh、誘電体基板11の比誘電率εrを固定し、幅w(z)を変化させた場合の偶モードインピーダンスZeven及び奇モードインピーダンスZoddから、幅w(z)及び間隔s(z)を一意に決定する。
図3は、偶モードインピーダンス及び奇モードインピーダンスの変化の一例であり、(a)は幅wを変えた場合、(b)は間隔sを変えた場合を示す。図3(a)に示す偶モードインピーダンスZeven及び奇モードインピーダンスZoddは、2本のマイクロストリップラインの間隔sを1mm、誘電体基板11の厚さhを0.635mm、誘電体基板11の比誘電率εrを10.2に固定し、マイクロストリップラインの幅wを変化させている。図3(b)に示す偶モードインピーダンスZeven及び奇モードインピーダンスZoddは、2本のマイクロストリップラインの幅wを2mm、誘電体基板11の厚さhを0.635mm、誘電体基板11の比誘電率εrを10.2に固定し、マイクロストリップラインの間隔sを変化させている。逆に、与えられた偶モードインピーダンスZeven及び奇モードインピーダンスZoddから、2本のマイクロストリップラインの幅w(z)及び間隔s(z)が一意に決定される。
次に、設定ステップS101における窓関数について説明する。
x空間の反射係数r(x)は、スペクトルデータの反射係数R(ω)から得られる。
ここで、x空間の反射係数r(x)の代わりに、窓関数W(x)を掛けた反射係数r’(x)を用いる。
窓関数W(x)を適切に選ぶと、透過域と阻止域の反射率の差を制御することができる。
x空間の反射係数r(x)は、スペクトルデータの反射係数R(ω)から得られる。
本実施例では、設定ステップS101において、透過型導波路バンドパスフィルタ90の周波数特性を、周波数4.0GHz以上9.6GHz以下の周波数領域では反射率が0.7、その他の周波数領域では反射率が0に設定した。また、設定ステップS101において、A=30のカイザー窓関数を使用した。そして、算出ステップS102おいて、導波路長を1GHz時の実効波長の0.5倍として、導波路の特性インピーダンスZ0を50Ωに設定し、偶モードの局所的な特性インピーダンスZeven(z)及び奇モードの局所的な特性インピーダンスZodd(z)を算出した。
図4は、本実施例に係る特性インピーダンスの一例であり、(a)は偶モードの局所的な特性インピーダンスZeven(z)、(b)は変更後の偶モードの局所的な特性インピーダンスZ’even(z)、(c)は奇モードの局所的な特性インピーダンスZodd(z)を示す。図4(a)(b)(c)において、Electrical Positionは、実際の寸法を1GHz時の実効波長で規格化したものである。図4(b)に示す変更後の偶モードの局所的な特性インピーダンスZ’even(z)は、数式(11)に示す窓関数において、aを0.4、mを1、x0を0.27、bを0.2とした。
そして、決定ステップS103において、誘電体基板11の厚さhを0.635mm、誘電体基板11の比誘電率εrを10.2に設定し、マイクロストリップライン13a及び13bの幅w(z)及び間隔s(z)を決定した。
マイクロストリップライン13a及び13b並びにグランド板を構成する金属は周波数1GHzでスキンデップスδs={2/(ωμ0σ)}1/2より十分厚いものとした。ここで、ωは角周波数、μ0は真空中の透磁率、σは金属の導電率を表す。また、このバンドパスフィルタは特性インピーダンスが50Ωのシステムで使用するものとした。
マイクロストリップライン13a及び13b並びにグランド板を構成する金属は周波数1GHzでスキンデップスδs={2/(ωμ0σ)}1/2より十分厚いものとした。ここで、ωは角周波数、μ0は真空中の透磁率、σは金属の導電率を表す。また、このバンドパスフィルタは特性インピーダンスが50Ωのシステムで使用するものとした。
図5は、本実施例に係る透過型導波路バンドパスフィルタの一例であり、(a)はエレクトリカルポジションにおけるマイクロストリップラインの幅及び間隔、(b)、(c)及び(d)はマイクロストリップラインの形成例を示す。図5(b)(c)(d)に示すPosition[mm]は、z方向の位置である。図5(b)(c)(d)において、マイクロストリップライン13の形状を、マイクロストリップラインの幅で表した。Position[mm]はz方向の位置を示し、Width[mm]はマイクロストリップラインの幅w(z)を示す。図5(b)に示すマイクロストリップライン13a及び13bは、側線21aと21b、側線21cと21dが、Width=0で表示されている中心線に対して線対称である場合を示す。図5(c)に示すマイクロストリップライン13a及び13bは、側線21dが直線である場合を示す。図5(d)に示すマイクロストリップライン13a及び13bは、側線21bが直線である場合を示す。
本実施例では、周波数帯域の上限周波数が9.6GHzであり、この周波数における実効波長は、図5(a)に示した1GHz時の実効波長の約1/10となる。すなわち、周波数帯域の上限周波数の実効波長は、図5(a)において、0.1エレクトリカルポジション程度となる。一方、本実施例のマイクロストリップラインの幅が極大又は極小となるピーク間の長手方向の距離、及び、2本のマイクロストリップラインの間隔が極大又は極小となるピーク間の長手方向の距離は、図5(a)に示されているように、0.1エレクトリカルポジションより短いものを含んでいる。
本実施例では、周波数帯域の上限周波数が9.6GHzであり、この周波数における実効波長は、図5(a)に示した1GHz時の実効波長の約1/10となる。すなわち、周波数帯域の上限周波数の実効波長は、図5(a)において、0.1エレクトリカルポジション程度となる。一方、本実施例のマイクロストリップラインの幅が極大又は極小となるピーク間の長手方向の距離、及び、2本のマイクロストリップラインの間隔が極大又は極小となるピーク間の長手方向の距離は、図5(a)に示されているように、0.1エレクトリカルポジションより短いものを含んでいる。
次に、決定ステップS103で得られたマイクロストリップライン13a及び13bを用いて、透過型導波路バンドパスフィルタの評価をシミュレーションによって行った。
図6は、本実施例に係る透過型導波路バンドパスフィルタの周波数特性であり、(a)は透過波の振幅特性、(b)は透過波の群遅延特性を示す。
本実施例に係る透過型導波路バンドパスフィルタは、図6(a)及び図6(b)に示すように、周波数4.7GHz以上8.8GHz以下の周波数領域では、透過率は−7dB以上であり、群遅延特性の変動は±0.1ns以下であった。また、周波数1.8GHz超3.4GHz未満、及び、周波数10.2GHz超の周波数領域では、透過率は−25dB以下であった。
図6は、本実施例に係る透過型導波路バンドパスフィルタの周波数特性であり、(a)は透過波の振幅特性、(b)は透過波の群遅延特性を示す。
本実施例に係る透過型導波路バンドパスフィルタは、図6(a)及び図6(b)に示すように、周波数4.7GHz以上8.8GHz以下の周波数領域では、透過率は−7dB以上であり、群遅延特性の変動は±0.1ns以下であった。また、周波数1.8GHz超3.4GHz未満、及び、周波数10.2GHz超の周波数領域では、透過率は−25dB以下であった。
本実施例では、実施例1で説明した決定ステップS103において、ストリップライン13a及び13bの導波路長が1GHz時の実効波長の0.5倍として、導波路の特性インピーダンスZ0を50Ω、誘電体基板11の厚さhを0.5mm、誘電体基板11の比誘電率εrを40に設定し、マイクロストリップライン13a及び13bの幅w(z)及び間隔s(z)を決定した。設定ステップS101、算出ステップS102については実施例1と同様である。
図7は、本実施例に係る透過型導波路バンドパスフィルタの一例であり、(a)はエレクトリカルポジションにおけるマイクロストリップラインの幅及び間隔、(b)はマイクロストリップラインの形成例を示す。
本実施例では、周波数帯域の上限周波数が9.6GHzであり、この周波数における実効波長は、図7(a)に示した1GHz時の実効波長の約1/10となる。すなわち、周波数帯域の上限周波数の実効波長は、図7(a)において、0.1エレクトリカルポジション程度となる。一方、本実施例のマイクロストリップラインの幅が極大又は極小となるピーク間の長手方向の距離、及び、2本のマイクロストリップラインの間隔が極大又は極小となるピーク間の長手方向の距離は、図7(a)に示されているように、0.1エレクトリカルポジションより短いものを含んでいる。
本実施例に係る透過型導波路バンドパスフィルタの評価をシミュレーションによって行ったところ、得られた周波数特性は、実施例1とほぼ同じであった。
本実施例では、周波数帯域の上限周波数が9.6GHzであり、この周波数における実効波長は、図7(a)に示した1GHz時の実効波長の約1/10となる。すなわち、周波数帯域の上限周波数の実効波長は、図7(a)において、0.1エレクトリカルポジション程度となる。一方、本実施例のマイクロストリップラインの幅が極大又は極小となるピーク間の長手方向の距離、及び、2本のマイクロストリップラインの間隔が極大又は極小となるピーク間の長手方向の距離は、図7(a)に示されているように、0.1エレクトリカルポジションより短いものを含んでいる。
本実施例に係る透過型導波路バンドパスフィルタの評価をシミュレーションによって行ったところ、得られた周波数特性は、実施例1とほぼ同じであった。
本実施例では、設定ステップS101において、透過型導波路バンドパスフィルタ90の周波数特性を、周波数3.4GHz以上10.3GHz以下の周波数領域では反射率が0.7、その他の周波数領域では反射率が0に設定した。また、設定ステップS101において、A=30のカイザー窓関数を使用した。そして、算出ステップS102において、導波路長を1GHz時の実効波長の1倍として、導波路の特性インピーダンスZ0を50Ωに設定し、偶モードの局所的な特性インピーダンスZeven(z)及び奇モードの局所的な特性インピーダンスZodd(z)を算出した。そして、決定ステップS103において、誘電体基板11の厚さhを1mm、誘電体基板11の比誘電率εrを30に設定し、マイクロストリップライン13a及び13bの幅w(z)及び間隔s(z)を決定した。
図8は、本実施例に係る透過型導波路バンドパスフィルタの一例であり、(a)はエレクトリカルポジションにおけるマイクロストリップラインの幅及び間隔、(b)はマイクロストリップラインの形成例、(c)は透過波の振幅特性、(d)は透過波の群遅延特性を示す。
本実施例では、周波数帯域の上限周波数が10.3GHzであり、この周波数における実効波長は、図8(a)に示した1GHz時の実効波長の約1/10となる。すなわち、周波数帯域の上限周波数の実効波長は、図8(a)において、0.1エレクトリカルポジション程度となる。一方、本実施例のマイクロストリップラインの幅が極大又は極小となるピーク間の長手方向の距離、及び、2本のマイクロストリップラインの間隔が極大又は極小となるピーク間の長手方向の距離は、図8(a)に示されているように、0.1エレクトリカルポジションより短いものを含んでいる。
本実施例に係る透過型導波路バンドパスフィルタは、図8(c)及び図8(d)に示すように、周波数3.9GHz以上9.9GHz以下の周波数領域では、透過率は−5dB以上であり、群遅延特性の変動は±0.1ns以下であった。また、周波数1.5GHz超3.0GHz未満、及び、周波数10.6GHz超の周波数領域では、透過率は−25dB以下であった。
本実施例では、周波数帯域の上限周波数が10.3GHzであり、この周波数における実効波長は、図8(a)に示した1GHz時の実効波長の約1/10となる。すなわち、周波数帯域の上限周波数の実効波長は、図8(a)において、0.1エレクトリカルポジション程度となる。一方、本実施例のマイクロストリップラインの幅が極大又は極小となるピーク間の長手方向の距離、及び、2本のマイクロストリップラインの間隔が極大又は極小となるピーク間の長手方向の距離は、図8(a)に示されているように、0.1エレクトリカルポジションより短いものを含んでいる。
本実施例に係る透過型導波路バンドパスフィルタは、図8(c)及び図8(d)に示すように、周波数3.9GHz以上9.9GHz以下の周波数領域では、透過率は−5dB以上であり、群遅延特性の変動は±0.1ns以下であった。また、周波数1.5GHz超3.0GHz未満、及び、周波数10.6GHz超の周波数領域では、透過率は−25dB以下であった。
本実施例では、設定ステップS101において、透過型導波路バンドパスフィルタ90の周波数特性を、周波数4.5GHz以上9.4GHz以下の周波数領域では反射率が0.7、その他の周波数領域では反射率が0に設定した。また、設定ステップS101において、A=30のカイザー窓関数を使用した。そして、算出ステップS102において、導波路長を1GHz時の実効波長の0.3倍として、導波路の特性インピーダンスZ0を50Ωに設定し、偶モードの局所的な特性インピーダンスZeven(z)及び奇モードの局所的な特性インピーダンスZodd(z)を算出した。そして、決定ステップS103において、誘電体基板11の厚さhを0.635mm、誘電体基板11の比誘電率εrを10.2に設定し、マイクロストリップライン13a及び13bの幅w(z)及び間隔s(z)を決定した。
図9は、本実施例に係る透過型導波路バンドパスフィルタの一例であり、(a)はエレクトリカルポジションにおけるマイクロストリップラインの幅及び間隔、(b)はマイクロストリップラインの形成例、(c)は透過波の振幅特性、(d)は透過波の群遅延特性を示す。
本実施例では、周波数帯域の上限周波数が9.4GHzであり、この周波数における実効波長は、図9(a)に示した1GHz時の実効波長の約1/10となる。すなわち、周波数帯域の上限周波数の実効波長は、図9(a)において、0.1エレクトリカルポジション程度となる。一方、本実施例のマイクロストリップラインの幅が極大又は極小となるピーク間の長手方向の距離、及び、2本のマイクロストリップラインの間隔が極大又は極小となるピーク間の長手方向の距離は、図9(a)に示されているように、0.1エレクトリカルポジションより短いものを含んでいる。
本実施例に係る透過型導波路バンドパスフィルタは、図9(c)及び図9(d)に示すように、周波数5.4GHz以上8.7GHz以下の周波数領域では、透過率は−5dB以上であり、群遅延特性の変動は±0.1ns以下であった。また、周波数2.2GHz超3.8GHz未満、及び、周波数10.0GHz超の周波数領域では、透過率は−15dB以下であった。
本実施例では、周波数帯域の上限周波数が9.4GHzであり、この周波数における実効波長は、図9(a)に示した1GHz時の実効波長の約1/10となる。すなわち、周波数帯域の上限周波数の実効波長は、図9(a)において、0.1エレクトリカルポジション程度となる。一方、本実施例のマイクロストリップラインの幅が極大又は極小となるピーク間の長手方向の距離、及び、2本のマイクロストリップラインの間隔が極大又は極小となるピーク間の長手方向の距離は、図9(a)に示されているように、0.1エレクトリカルポジションより短いものを含んでいる。
本実施例に係る透過型導波路バンドパスフィルタは、図9(c)及び図9(d)に示すように、周波数5.4GHz以上8.7GHz以下の周波数領域では、透過率は−5dB以上であり、群遅延特性の変動は±0.1ns以下であった。また、周波数2.2GHz超3.8GHz未満、及び、周波数10.0GHz超の周波数領域では、透過率は−15dB以下であった。
本実施例では、実施例4で説明した導波路の特性インピーダンスZ0を25Ω、決定ステップS103において、ストリップライン13a及び13bの導波路長が1GHz時の実効波長の0.3倍として、誘電体基板11の厚さhを0.5mm、誘電体基板11の比誘電率εrを30に設定し、マイクロストリップライン13a及び13bの幅w(z)及び間隔s(z)を決定した。その他の設定については実施例4と同様である。
図10は、本実施例に係る透過型導波路バンドパスフィルタの一例であり、(a)はエレクトリカルポジションにおけるマイクロストリップラインの幅及び間隔、(b)はマイクロストリップラインの形成例を示す。
本実施例では、周波数帯域の上限周波数が9.4GHzであり、この周波数における実効波長は、図10(a)に示した1GHz時の実効波長の約1/10となる。すなわち、周波数帯域の上限周波数の実効波長は、図10(a)において、0.1エレクトリカルポジション程度となる。一方、本実施例のマイクロストリップラインの幅が極大又は極小となるピーク間の長手方向の距離、及び、2本のマイクロストリップラインの間隔が極大又は極小となるピーク間の長手方向の距離は、図10(a)に示されているように、0.1エレクトリカルポジションより短いものを含んでいる。
本実施例に係る透過型導波路バンドパスフィルタの評価をシミュレーションによって行ったところ、得られた周波数特性は、実施例4とほぼ同じであった。
本実施例では、周波数帯域の上限周波数が9.4GHzであり、この周波数における実効波長は、図10(a)に示した1GHz時の実効波長の約1/10となる。すなわち、周波数帯域の上限周波数の実効波長は、図10(a)において、0.1エレクトリカルポジション程度となる。一方、本実施例のマイクロストリップラインの幅が極大又は極小となるピーク間の長手方向の距離、及び、2本のマイクロストリップラインの間隔が極大又は極小となるピーク間の長手方向の距離は、図10(a)に示されているように、0.1エレクトリカルポジションより短いものを含んでいる。
本実施例に係る透過型導波路バンドパスフィルタの評価をシミュレーションによって行ったところ、得られた周波数特性は、実施例4とほぼ同じであった。
本発明は、米国連邦通信委員会(FCC)が定めているスペクトルマスクを満足させる無線システムの無線局用バンドパスフィルタに利用することができる。
11 誘電体基板
12 グランド板
13、13a、13b マイクロストリップライン
21a、21b、21c、21d マイクロストリップラインの長手方向の側線
22 マイクロストリップラインの長手方向の中心線
23 誘電体基板の横断面における中央線
90 透過型導波路バンドパスフィルタ
w(z) 2本のマイクロストリップライン13の幅
s(z) 2本のマイクロストリップライン13の間隔
h 誘電体基板11の厚さ
εr 誘電体基板11の比誘電率
12 グランド板
13、13a、13b マイクロストリップライン
21a、21b、21c、21d マイクロストリップラインの長手方向の側線
22 マイクロストリップラインの長手方向の中心線
23 誘電体基板の横断面における中央線
90 透過型導波路バンドパスフィルタ
w(z) 2本のマイクロストリップライン13の幅
s(z) 2本のマイクロストリップライン13の間隔
h 誘電体基板11の厚さ
εr 誘電体基板11の比誘電率
Claims (8)
- 誘電体基板と、
前記誘電体基板の一方の面に形成されたグランド板と、
前記誘電体基板の他方の面に形成されている2本のマイクロストリップラインからなる方向性結合器と、を備え、
前記2本のマイクロストリップラインは、変化のある不均一な幅と変化のある不均一な間隔によって、前記誘電体基板の横断面における電界分布が前記2本のマイクロストリップライン間の中央線に対して対称になる偶モード及び反対称になる奇モードの特性インピーダンスを導波路の特性インピーダンスに対して変化させ、
前記マイクロストリップラインの形状は、前記マイクロストリップラインの幅及び前記2本のマイクロストリップラインの間隔が極大又は極小となるピークのうち、少なくとも前記ピーク間の長手方向の距離が、透過域となる周波数帯域の上限周波数の実効波長よりも短いものを含むことを特徴とする透過型導波路バンドパスフィルタ。 - 前記2本のマイクロストリップラインは、それぞれ、片方のポートが無反射終端されていることを特徴とする請求項1に記載の透過型導波路バンドパスフィルタ。
- 前記無反射終端は、前記導波路の特性インピーダンスで終端されていることを特徴とする請求項2に記載の透過型導波路バンドパスフィルタ。
- 前記2本のマイクロストリップラインは、長手方向の側線の少なくとも一方が中心線に対して線対称であることを特徴とする請求項1から3のいずれかに記載の透過型導波路バンドパスフィルタ。
- 前記2本のマイクロストリップラインの間隙の形状は、長手方向の中心線に対して線対称であることを特徴とする請求項1から4のいずれかに記載の透過型導波路バンドパスフィルタ。
- 前記2本のマイクロストリップラインは、長手方向の側線の一方が直線であることを特徴とする請求項1から5のいずれかに記載の透過型導波路バンドパスフィルタ。
- 誘電体基板と、誘電体基板の一方の面に形成されたグランド板と、前記誘電体基板の他方の面に形成されている2本のマイクロストリップラインからなる方向性結合器を備える透過型導波路バンドパスフィルタの設計方法であって、
前記透過型導波路バンドパスフィルタの周波数特性を設定する設定ステップと、
前記誘電体基板の横断面における電界分布が前記2本のマイクロストリップライン間の中央線に対して対称になる偶モード及び反対称になる奇モードの特性インピーダンスを、前記設定ステップで設定した周波数特性となるように、偶モードの局所的な特性インピーダンスが奇モードの局所的な特性インピーダンスよりも常に大きくなる条件下でZakharov−Shabat方程式の逆散乱問題を解くことによって算出する算出ステップと、
前記誘電体基板の厚さ及び比誘電率を設定し、前記算出ステップで算出した偶モード及び奇モードの局所的な特性インピーダンスとなる前記マイクロストリップラインの幅及び間隔を決定する決定ステップと、
を順に有することを特徴とする透過型導波路バンドパスフィルタの設計方法。 - 前記設定ステップにおいて、透過域の周波数特性にカイザー窓関数をかけることを特徴とする請求項7に記載の透過型導波路バンドパスフィルタの設計方法。
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JP2008119734A JP2009272752A (ja) | 2008-05-01 | 2008-05-01 | 透過型導波路バンドパスフィルタ及びその設計方法 |
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JP2008098700A (ja) * | 2006-10-05 | 2008-04-24 | Fujikura Ltd | 反射型バンドパスフィルター |
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- 2008-05-01 JP JP2008119734A patent/JP2009272752A/ja active Pending
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