JP2010050653A

JP2010050653A - バンドパスフィルタ及びその設計方法

Info

Publication number: JP2010050653A
Application number: JP2008212321A
Authority: JP
Inventors: Yasushi Kan; 寧官
Original assignee: Fujikura Ltd
Current assignee: Fujikura Ltd
Priority date: 2008-08-21
Filing date: 2008-08-21
Publication date: 2010-03-04

Abstract

【課題】本発明は、基板の面積を小さくし、かつ広帯域な反射周波数帯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】本発明に係るバンドパスフィルタは、幅が不均一でありかつメアンダ形状を有するマイクロストリップライン１３を備えるバンドパスフィルタであって、マイクロストリップライン１３は、変化のある不均一な幅によって局所的な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ていることを特徴とする。
【選択図】図１

Description

不均一伝送線路で形成されるバンドパスフィルタ及びその設計方法に関し、特に、超広帯域無線システムに用いられる無線局用バンドパスフィルタに関する。

超広帯域（ＵＷＢ）無線システムの無線局用バンドパスフィルタとして、共振型デバイス、不均一伝送路による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。）。
Ｃ−Ｙ．ＣｈｅｎａｎｄＣ−Ｙ．Ｈｓｕ，"ＤｅｓｉｇｎｏｆａＵＷＢｌｏｗｉｎｓｅｒｔｉｏｎｌｏｓｓｂａｎｄｐａｓｓｆｉｌｔｅｒｗｉｔｈｓｐｕｒｉｏｕｓｒｅｓｐｏｎｓｅｓｕｐｐｒｅｓｓｉｏｎ，"ｍｉｃｒｏｗａｖｅＪ．，ｐｐ．１１２−１１６，Ｆｅｂ．２００６．

しかし、無線局用バンドパスフィルタに共振型デバイスを用いた場合、設計手法が複雑で、細かく規定されている広帯域制御の実現が困難である。不均一伝送路による反射型デバイスを用いた場合、フィルタを構成する導波路が長く、設置するのに大きな面積の基板が必要であった。

そこで、本発明は、基板の面積を小さくし、かつ広帯域な反射周波数帯域を有するバンドパスフィルタの提供を目的とする。

上記課題を解決するために、本発明に係るバンドパスフィルタは、幅が不均一でありかつメアンダ形状を有するマイクロストリップラインを備えるバンドパスフィルタであって、前記マイクロストリップラインは、変化のある不均一な幅によって局所的な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てい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、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。

幅が不均一なマイクロストリップラインを用いることで、反射周波数帯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、広帯域な反射周波数帯域を有するバンドパスフィルタとすることができる。また、マイクロストリップラインがメアンダ形状を有するので、バンドパスフィルタデバイスを形成する基板の面積を小さくすることができる。

本発明に係るバンドパスフィルタでは、前記メアンダ形状は、折り返し部分が滑らかに湾曲していることが好ましい。ここで、「滑らかに」とは、屈曲点がないことをいう。
導波路が滑らかに湾曲していることで、折り返し部分の導波路間に電磁結合が生じたり、外に漏れたりして、所望の特性が得られなくなるのを防ぐことができる。

本発明に係るバンドパスフィルタでは、前記メアンダ形状は、折り返し部分が円弧状に湾曲していることが好ましい。
導波路が円弧状に湾曲していることで、折り返し部分の導波路間に電磁結合が生じたり、外に漏れたりして、所望の特性が得られなくなるのを防ぐことができる。

本発明に係るバンドパスフィルタでは、前記メアンダ形状は、折り返し部分同士の間が直線状であり、当該直線状の部分における前記マイクロストリップラインの長手方向の中心軸同士が略平行になっていることが好ましい。
直線状の部分同士が略平行になっていることで、直線状の部分の導波路間での電磁結合が特定の周波数特性をもつことを防ぐことができる。また、直線状の部分を効率よく配置できるので、スペースを有効に利用することができる。

本発明に係るバンドパスフィルタでは、前記マイクロストリップラインの長手方向の側線が、前記マイクロストリップラインの長手方向の中心軸に対して線対称であることが好ましい。

本発明に係るバンドパスフィルタでは、前記マイクロストリップラインの長手方向の側線の一方が、前記マイクロストリップラインの長手方向の中心軸と略平行であることが好ましい。

本発明に係るバンドパスフィルタでは、前記マイクロストリップラインは、片方のポートが無反射終端されていることが好ましい。また、本発明に係る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。
反射型導波路バンドパスフィルタとすることができる。

本発明に係るバンドパスフィルタの設計方法は、変化のある不均一な幅によって局所的な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、かつメアンダ形状を有するマイクロストリップラインを備えるバンドパスフィルタの設計方法であって、前記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、前記設定ステップで設定した周波数特性となる局所的な特性インピーダンスを、Ｚａｋｈａｒｏｖ−Ｓｈａｂａｔ方程式の逆散乱問題を解くことによって算出する算出ステップと、前記導波路の特性インピーダンス並びに前記マイクロストリップラインが形成されている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、マイクロストリップラインの幅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、反射周波数帯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。決定ステップで決定した幅のマイクロストリップラインを折り曲げてメアンダ形状とすれば、設定ステップで設定した周波数特性とほぼ同じ周波数特性のバンドパスフィルタとすることができる。

本発明に係るバンドパスフィルタでは、前記設定ステップにおいて、反射周波数帯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、反射周波数帯域と阻止周波数帯域の反射率の差を制御することができる。これにより、反射周波数帯域において１０ｄＢを超える超広帯域バンドパスフィルタとすることができる。
また、反射周波数帯域と阻止周波数帯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、反射周波数帯域が増える。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反射周波数帯域と阻止周波数帯域の境界を急峻にしたり、反射周波数帯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、基板の面積を小さくし、かつ広帯域な反射周波数帯域を有するバンドパスフィルタを提供することができる。

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、本実施形態に係るバンドパスフィルタの構成概略図である。本実施形態に係るバンドパスフィルタは、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１３を備える。ｚはマイクロストリップライン１３の長手方向、ｗはマイクロストリップライン１３の幅、ｈは誘電体基板１１の厚さ、ε_ｒ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１３は、幅ｗ（ｚ）が不均一である。そして、マイクロストリップライン１３は、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）によって局所的な特性インピーダンスＺ（ｚ）を導波路の特性インピーダンスＺ_０に対して変化させる。マイクロストリップライン１３の幅ｗ（ｚ）は、導波路の特性インピーダンスＺ_０に対する局所的な特性インピーダンスとなるよう設計されている。ここで、導波路の特性インピーダンスＺ_０は、マイクロストリップライン１３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１３の形状は、マイクロストリップライン１３の幅ｗ（ｚ）が極大又は極小となるピークのうち、少なくともピーク間の長手方向となるｚ方向の距離が、反射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、マイクロストリップライン１３の幅ｗ（ｚ）をエレクトリカルポジション当りで表した場合に、マイクロストリップライン１３の幅ｗ（ｚ）に、極大又は極小となるピークが１０個以上現れる。

図２は、マイクロストリップラインの形態の一例を示した構成図であり、（ａ）は直線状の場合、（ｂ）は２．５個のメアンダを備える場合、（ｃ）は１個のメアンダを備える場合を示す。図において、導波路の幅が均一となっているが、理解の容易のためであり、導波路の中心位置を示す。実際の導波路は幅が不均一である。本実施形態のマイクロストリップライン１３は、図２（ｂ）及び図２（ｃ）に示すように、１個以上のメアンダ形状を有する。マイクロストリップライン１３がメアンダ形状を有することで、ｚ方向において必要となる誘電体基板１１の長さＬが短くなるので、バンドパスフィルタデバイスの設置面積が小さくなり、バンドパスフィルタデバイスを設置しやすくすることができる。

マイクロストリップライン１３は、２つのポート１５、１６を備える。一方のポート１５が入出力ポートとして使用される。他方のポート１６は無反射終端される。無反射終端は、導波路の特性インピーダンスＺ_０で終端されている。

図３は、マイクロストリップラインの形態の他の一例を示した構成図である。メアンダ形状は、折り返し部分３１同士の間が直線状になっている。直線状の部分３２の数Ｎは２以上であり、一例としてＮが４の場合を示している。直線状の部分３２は、それぞれの長さがｐ、間隔がｓ、入出力ポート１５と直線状の部分３２までの間隔がｑとなっている。ここで、間隔ｓは、直線状の部分３２におけるマイクロストリップラインの長手方向の中心軸同士の間隔である。それぞれの寸法は導波路の特性及び要求するバンドパスフィルタの形状によって適切に決める。例えば、導波路間での電磁結合を防ぐために、間隔ｓを一定にして、直線状の部分３２におけるマイクロストリップラインの長手方向の中心軸同士が略平行になっていることが好ましい。図２に示すｙ方向において必要となる誘電体基板１１の幅を小さくすることができる。

図４は、マイクロストリップラインの折り返し部分の一例を示す拡大図である。導波路間の電磁結合を防ぐため、メアンダ形状は、折り返し部分３１が滑らかに湾曲していることが好ましい。特に、折り返し部分３１の中心軸２２が半径ｒの円弧状に湾曲していることが好ましい。

マイクロストリップライン１３は、長手方向の側線２１ａ及び２１ｂが、長手方向の中心軸２２に対して線対称である。線対称とは、微視的な意味での線対称である。つまり、マイクロストリップライン１３の長手方向の中心軸２２が曲がっていれば、マイクロストリップライン１３の長手方向の側線２１も中心軸２２に沿って曲がった形状となる。この場合、所望のマイクロストリップラインの幅ｗはその場所と半円の円心を結ぶ直線上において、マイクロストリップラインの中心軸２２の両側に半分ずつ与えるようになる。また、マイクロストリップライン１３は、長手方向の側線２１ａ及び２１ｂの一方が、マイクロストリップラインの長手方向の中心軸２２と略平行であってもよい。例えば、折り返し部分３１の内側の側線２１ａが中心軸２２と略平行とし、折り返し部分３１の内側を滑らかな曲線としてもよい。なお、この構造は曲げ構造の一例であり、実際マイクロストリップラインの幅ｗの与え方として、湾曲された導波路の特性が湾曲される前の導波路とのずれがもっとも小さくなるように決められていることが好ましい。

本実施形態に係るバンドパスフィルタの設計方法について説明する。本設計方法を用いることで、本実施形態に係るバンドパスフィルタを作製することができる。本実施形態に係るバンドパスフィルタの設計方法は、設定ステップと、算出ステップと、決定ステップと、を順に有する。

設定ステップでは、バンドパスフィルタの周波数特性を設定する。ここで、反射周波数帯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。

算出ステップでは、設定ステップで設定した周波数特性となる局所的な特性インピーダンスを、数式（７）で表される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１３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１３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。

決定ステップでは、導波路の特性インピーダンスＺ_０並びに誘電体基板１１の厚さｈ及び比誘電率ε_ｒを設定し、算出ステップで算出した局所的な特性インピーダンスＺ（ｚ）となるマイクロストリップライン１３の幅ｗ（ｚ）を決定する。

算出ステップの原理について説明する。
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。

一方、＋ｚ方向に伝搬する電力波振幅φ_１及び−ｚ方向に伝搬する電力波振幅φ_２は、局所的な特性インピーダンスＺ（ｚ）を用いて次式で表すことができる。

数式（２）を数式（１）に代入すると、次式が得られる。

ここで、時間因子をｅｘｐ（ｊωｔ）とおき、変数変換

を行うと、次のようなＺａｋｈａｒｏｖ−Ｓｈａｂａｔ方程式を得る。

ただし、ｑ（ｘ）はポテンシャルであり、次式で表される。

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、Ｚ_０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φ_２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。

次に、設定ステップ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、反射周波数帯域と阻止周波数帯域の反射率の差を制御することができる。

窓関数Ｗ（ｘ）は、例えばカイザー窓関数、ハミング窓関数、ハン窓関数、コサイン窓関数であり、フィルタ設計理論で知られているものを用いることができる。カイザー窓関数は次式で表される。

ただし、ｘ_ｍａｘは適用する変数ｘの範囲内の最大値とする。α＝ｘ_ｍａｘ／２である。また、βは、経験的に次式のように決められる。

ただし、Ａ＝−２０ｌｏｇ_１０δである。δは反射周波数帯域におけるピーク近似誤差を表す。このため、Ａを適切に選ぶことで、反射周波数帯域と阻止周波数帯域の反射率の差を制御することができる。

本実施例では、設定ステップにおいて、バンドパスフィルタの周波数特性を、周波数３．４ＧＨｚ以上４．８ＧＨｚ以下と周波数７．２５ＧＨｚ以上１０．２５ＧＨｚ以下の周波数領域では反射率が０．９、その他の周波数領域では反射率が０に設定した。また、設定ステップにおいて、Ａ＝３０のカイザー窓関数を使用した。決定ステップにおいて、マイクロストリップラインの導波路長が１ＧＨｚ時の実効波長の１／２倍として、導波路の特性インピーダンスを５０Ω、誘電体基板の厚さｈを０．５０８ｍｍ、誘電体基板の比誘電率ε_ｒを２．２に設定し、マイクロストリップラインの幅ｗを決定した。

図５は、本実施例に係るマイクロストリップラインの一例であり、（ａ）はマイクロストリップラインの幅の分布、（ｂ）は直線状にしたときのマイクロストリップラインの形状を示す。図５（ａ）においてＰｏｓｉｔｉｏｎ［ｍｍ］はマイクロストリップラインの長手方向における入出力ポートからの長さを示し、Ｗｉｄｔｈ［ｍｍ］はマイクロストリップラインの幅ｗを示す。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が１０箇所以上存在している。図５（ｂ）においてＰｏｓｉｔｉｏｎ［ｍｍ］は誘電体基板の長さ方向（図２に示す符号ｚ方向）への入出力ポートからの距離を示し、Ｗｉｄｔｈ［ｍｍ］は誘電体基板の幅方向（図２に示す符号ｙ方向）への入出力ポートからの距離を示す。

マイクロストリップラインは、無反射終端又は導波路の特性インピーダンス５０Ωに等しい抵抗で終端した。マイクロストリップライン（図１に示す符号１３）及びグランド板（図１に示す符号１２）を構成する金属は周波数１ＧＨｚでスキンデップスδ_ｓ＝｛２／（ωμ_０σ）｝^１／２より十分厚いものとした。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。ここで、ωは角周波数、μ_０は真空中の透磁率、σは金属の導電率を表す。

次に、決定ステップで得られたマイクロストリップラインを用いて、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、図５に示すバンドパスフィルタの周波数特性であり、（ａ）は反射波の振幅特性、（ｂ）は反射波の群遅延特性を示す。
本実施例に係るバンドパスフィルタは、周波数３．５ＧＨｚ以上４．７ＧＨｚ以下と周波数７．４ＧＨｚ以上１０．１ＧＨｚ以下の周波数領域では、反射率は−５ｄＢ以上であり、群遅延特性の変動は±０．１２ｎｓ以下であった。また、周波数２．９ＧＨｚ未満、周波数５．３ＧＨｚ超６．５ＧＨｚ未満、及び、周波数１０．８ＧＨｚ超の周波数領域では、反射率は−２０ｄＢ以下であった。

図７は、マイクロストリップラインが１個のメアンダ形状を有する場合のマイクロストリップラインの形状の一例である。図３に示すメアンダ形状において、直線状の部分の数Ｎを２、直線状の部分の間隔ｓを１０ｍｍ、入出力ポートと直線状の部分までの間隔ｑを１０ｍｍとした。Ｗｉｄｔｈ０ｍｍ近傍にある端部が入出力ポート、Ｗｉｄｔｈ１０ｍｍ近傍にある端部が無反射終端されているポートとなっている。必要となる誘電体基板の長さは、図５に示す直線状のときの約１／２となっている。このときの周波数特性は、図６に示す直線状のものとほぼ同じであった。

図８は、マイクロストリップラインが１．５個のメアンダ形状を有する場合のマイクロストリップラインの形状の一例である。図３に示すメアンダ形状において、直線状の部分の数Ｎを３、直線状の部分の間隔ｓを７ｍｍ、入出力ポートと直線状の部分までの間隔ｑを７ｍｍとした。Ｗｉｄｔｈ０ｍｍ近傍にある端部が入出力ポート、Ｗｉｄｔｈ１５ｍｍ近傍にある端部が無反射終端されているポートとなっている。必要となる誘電体基板の長さは、図５に示す直線状のときの約１／３となっている。このときの周波数特性は、図６に示す直線状のものとほぼ同じであった。

本実施例では、設定ステップにおいて、バンドパスフィルタの周波数特性を、周波数３．４ＧＨｚ以上４．８ＧＨｚ以下と周波数７．２５ＧＨｚ以上１０．２５ＧＨｚ以下の周波数領域では反射率が０．９、その他の周波数領域では反射率が０に設定した。また、設定ステップにおいて、Ａ＝３０のカイザー窓関数を使用した。決定ステップにおいて、マイクロストリップラインの導波路長が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を５０Ω、誘電体基板の厚さｈを０．５０８ｍｍ、誘電体基板の比誘電率ε_ｒを２．２に設定し、マイクロストリップラインの幅ｗを決定した。

図９は、本実施例に係るマイクロストリップラインの一例であり、（ａ）はマイクロストリップラインの幅の分布、（ｂ）は直線状にしたときのマイクロストリップラインの形状を示す。図９（ａ）においてＰｏｓｉｔｉｏｎ［ｍｍ］はマイクロストリップラインの長手方向における入出力ポートからの長さを示し、Ｗｉｄｔｈ［ｍｍ］はマイクロストリップラインの幅ｗを示す。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が１０箇所以上存在している。図９（ｂ）においてＰｏｓｉｔｉｏｎ［ｍｍ］は誘電体基板の長さ方向（図２に示す符号ｚ方向）への入出力ポートからの距離を示し、Ｗｉｄｔｈ［ｍｍ］は誘電体基板の幅方向（図２に示す符号ｙ方向）への入出力ポートからの距離を示す。

マイクロストリップラインは、無反射終端又は導波路の特性インピーダンス５０Ωに等しい抵抗で終端した。マイクロストリップライン（図１に示す符号１３）及びグランド板（図１に示す符号１２）を構成する金属は周波数１ＧＨｚでスキンデップスδ_ｓより十分厚いものとした。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。

次に、決定ステップで得られたマイクロストリップラインを用いて、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１０は、図９に示すバンドパスフィルタの周波数特性であり、（ａ）は反射波の振幅特性、（ｂ）は反射波の群遅延特性を示す。
本実施例に係るバンドパスフィルタは、周波数３．５ＧＨｚ以上４．７ＧＨｚ以下と周波数７．４ＧＨｚ以上１０．１ＧＨｚ以下の周波数領域では、反射率は−４ｄＢ以上であり、群遅延特性の変動は±０．２２ｎｓ以下であった。また、周波数３．１ＧＨｚ未満、周波数５．０ＧＨｚ超６．９ＧＨｚ未満、及び、周波数１０．５ＧＨｚ超の周波数領域では、反射率は−２２ｄＢ以下であった。

図１１は、マイクロストリップラインが１個のメアンダ形状を有する場合のマイクロストリップラインの形状の一例である。図３に示すメアンダ形状において、直線状の部分の数Ｎを２、直線状の部分の間隔ｓを１５ｍｍ、入出力ポートと直線状の部分までの間隔ｑを１５ｍｍとした。Ｗｉｄｔｈ０ｍｍ近傍にある端部が入出力ポート、Ｗｉｄｔｈ１５ｍｍ近傍にある端部が無反射終端されているポートとなっている。必要となる誘電体基板の長さは、図９に示す直線状のときの約１／２となっている。このときの周波数特性は、図１０に示す直線状のものとほぼ同じであった。

図１２は、マイクロストリップラインが１．５個のメアンダ形状を有する場合のマイクロストリップラインの形状の一例である。図３に示すメアンダ形状において、直線状の部分の数Ｎを３、直線状の部分の間隔ｓを１０ｍｍ、入出力ポートと直線状の部分までの間隔ｑを１０ｍｍとした。Ｗｉｄｔｈ０ｍｍ近傍にある端部が入出力ポート、Ｗｉｄｔｈ２０ｍｍ近傍にある端部が無反射終端されているポートとなっている。必要となる誘電体基板の長さは、図９に示す直線状のときの約１／３となっている。このときの周波数特性は、図１０に示す直線状のものとほぼ同じであった。

図１３は、マイクロストリップラインが２個のメアンダ形状を有する場合のマイクロストリップラインの形状の一例である。図３に示すメアンダ形状において、直線状の部分の数Ｎを４、直線状の部分の間隔ｓを７ｍｍ、入出力ポートと直線状の部分までの間隔ｑを１０ｍｍとした。Ｗｉｄｔｈ０ｍｍ近傍にある端部が入出力ポート、Ｗｉｄｔｈ２０ｍｍ近傍にある端部が無反射終端されているポートとなっている。必要となる誘電体基板の長さは、図９に示す直線状のときの約１／４となっている。このときの周波数特性は、図１０に示す直線状のものとほぼ同じであった。

本実施例では、設定ステップにおいて、バンドパスフィルタの周波数特性を、周波数３．４ＧＨｚ以上４．８ＧＨｚ以下と周波数７．２５ＧＨｚ以上１０．２５ＧＨｚ以下の周波数領域では反射率が０．９、その他の周波数領域では反射率が０に設定した。また、設定ステップにおいて、Ａ＝３０のカイザー窓関数を使用した。決定ステップにおいて、マイクロストリップラインの導波路長が１ＧＨｚ時の実効波長の１．５倍として、導波路の特性インピーダンスを５０Ω、誘電体基板の厚さｈを０．５０８ｍｍ、誘電体基板の比誘電率ε_ｒを２．２に設定し、マイクロストリップラインの幅ｗを決定した。

図１４は、本実施例に係るマイクロストリップラインの一例であり、（ａ）はマイクロストリップラインの幅の分布、（ｂ）は直線状にしたときのマイクロストリップラインの形状を示す。図１４（ａ）においてＰｏｓｉｔｉｏｎ［ｍｍ］はマイクロストリップラインの長手方向における入出力ポートからの長さを示し、Ｗｉｄｔｈ［ｍｍ］はマイクロストリップラインの幅ｗを示す。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が１０箇所以上存在している。図１４（ｂ）においてＰｏｓｉｔｉｏｎ［ｍｍ］は誘電体基板の長さ方向（図２に示す符号ｚ方向）への入出力ポートからの距離を示し、Ｗｉｄｔｈ［ｍｍ］は誘電体基板の幅方向（図２に示す符号ｙ方向）への入出力ポートからの距離を示す。

次に、決定ステップで得られたマイクロストリップラインを用いて、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１５は、図１４に示すバンドパスフィルタの周波数特性であり、（ａ）は反射波の振幅特性、（ｂ）は反射波の群遅延特性を示す。
本実施例に係るバンドパスフィルタは、周波数３．５ＧＨｚ以上４．６ＧＨｚ以下と周波数７．４ＧＨｚ以上１０．０ＧＨｚ以下の周波数領域では、反射率は−２ｄＢ以上であり、群遅延特性の変動は±０．３１ｎｓ以下であった。また、周波数３．２ＧＨｚ未満、周波数４．９ＧＨｚ超７．０ＧＨｚ未満、及び、周波数１０．４ＧＨｚ超の周波数領域では、反射率は−２３ｄＢ以下であった。

図１６は、マイクロストリップラインが１個のメアンダ形状を有する場合のマイクロストリップラインの形状の一例である。図３に示すメアンダ形状において、直線状の部分の数Ｎを２、直線状の部分の間隔ｓを１０ｍｍ、入出力ポートと直線状の部分までの間隔ｑを１０ｍｍとした。Ｗｉｄｔｈ０ｍｍ近傍にある端部が入出力ポート、Ｗｉｄｔｈ１０ｍｍ近傍にある端部が無反射終端されているポートとなっている。必要となる誘電体基板の長さは、図１４に示す直線状のときの約１／２となっている。このときの周波数特性は、図１５に示す直線状のものとほぼ同じであった。

図１７は、マイクロストリップラインが１．５個のメアンダ形状を有する場合のマイクロストリップラインの形状の一例である。図３に示すメアンダ形状において、直線状の部分の数Ｎを３、直線状の部分の間隔ｓを１０ｍｍ、入出力ポートと直線状の部分までの間隔ｑを１０ｍｍとした。Ｗｉｄｔｈ０ｍｍ近傍にある端部が入出力ポート、Ｗｉｄｔｈ２０ｍｍ近傍にある端部が無反射終端されているポートとなっている。必要となる誘電体基板の長さは、図１４に示す直線状のときの約１／３となっている。このときの周波数特性は、図１５に示す直線状のものとほぼ同じであった。

図１８は、マイクロストリップラインが２個のメアンダ形状を有する場合のマイクロストリップラインの形状の一例である。図３に示すメアンダ形状において、直線状の部分の数Ｎを４、直線状の部分の間隔ｓを７ｍｍ、入出力ポートと直線状の部分までの間隔ｑを７ｍｍとした。Ｗｉｄｔｈ０ｍｍ近傍にある端部が入出力ポート、Ｗｉｄｔｈ２０ｍｍ近傍にある端部が無反射終端されているポートとなっている。必要となる誘電体基板の長さは、図１４に示す直線状のときの約１／４となっている。このときの周波数特性は、図１５に示す直線状のものとほぼ同じであった。

図１９は、マイクロストリップラインが２．５個のメアンダ形状を有する場合のマイクロストリップラインの形状の一例である。図３に示すメアンダ形状において、直線状の部分の数Ｎを５、直線状の部分の間隔ｓを５ｍｍ、入出力ポートと直線状の部分までの間隔ｑを１０ｍｍとした。Ｗｉｄｔｈ０ｍｍ近傍にある端部が入出力ポート、Ｗｉｄｔｈ２０ｍｍ近傍にある端部が無反射終端されているポートとなっている。必要となる誘電体基板の長さは、図１４に示す直線状のときの約１／５となっている。このときの周波数特性は、図１５に示す直線状のものとほぼ同じであった。

本実施例では、設定ステップにおいて、バンドパスフィルタの周波数特性を、周波数３．４ＧＨｚ以上４．８ＧＨｚ以下の周波数領域では反射率が０．９、その他の周波数領域では反射率が０に設定した。また、設定ステップにおいて、Ａ＝３０のカイザー窓関数を使用した。決定ステップにおいて、マイクロストリップラインの導波路長が１ＧＨｚ時の実効波長の２倍として、導波路の特性インピーダンスを５０Ω、誘電体基板の厚さｈを０．６３５ｍｍ、誘電体基板の比誘電率ε_ｒを１０．２に設定し、マイクロストリップラインの幅ｗを決定した。

図２０は、本実施例に係るマイクロストリップラインの一例であり、（ａ）はマイクロストリップラインの幅の分布、（ｂ）は直線状にしたときのマイクロストリップラインの形状を示す。図２０（ａ）においてＰｏｓｉｔｉｏｎ［ｍｍ］はマイクロストリップラインの長手方向における入出力ポートからの長さを示し、Ｗｉｄｔｈ［ｍｍ］はマイクロストリップラインの幅ｗを示す。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が１０箇所以上存在している。図２０（ｂ）においてＰｏｓｉｔｉｏｎ［ｍｍ］は誘電体基板の長さ方向（図２に示す符号ｚ方向）への入出力ポートからの距離を示し、Ｗｉｄｔｈ［ｍｍ］は誘電体基板の幅方向（図２に示す符号ｙ方向）への入出力ポートからの距離を示す。

次に、決定ステップで得られたマイクロストリップラインを用いて、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２１は、図２０に示すバンドパスフィルタの周波数特性であり、（ａ）は反射波の振幅特性、（ｂ）は反射波の群遅延特性を示す。
本実施例に係るバンドパスフィルタは、周波数３．５ＧＨｚ以上４．６ＧＨｚ以下の周波数領域では、反射率は−２ｄＢ以上であり、群遅延特性の変動は±０．２５ｎｓ以下であった。また、周波数３．２ＧＨｚ未満、周波数４．９ＧＨｚ超の周波数領域では、反射率は−２５ｄＢ以下であった。

図２２は、マイクロストリップラインが３個のメアンダ形状を有する場合のマイクロストリップラインの形状の一例である。図３に示すメアンダ形状において、直線状の部分の数Ｎを６、直線状の部分の間隔ｓを３ｍｍ、入出力ポートと直線状の部分までの間隔ｑを５ｍｍとした。Ｗｉｄｔｈ０ｍｍ近傍にある端部が入出力ポート、Ｗｉｄｔｈ１５ｍｍ近傍にある端部が無反射終端されているポートとなっている。必要となる誘電体基板の長さは、図２０に示す直線状のときの約１／６となっている。このときの周波数特性は、図２１に示す直線状のものとほぼ同じであった。

本実施例では、設定ステップにおいて、バンドパスフィルタの周波数特性を、周波数７．２５ＧＨｚ以上１０．２５ＧＨｚ以下の周波数領域では反射率が０．９９、その他の周波数領域では反射率が０に設定した。また、設定ステップにおいて、Ａ＝３０のカイザー窓関数を使用した。決定ステップにおいて、マイクロストリップラインの導波路長が１ＧＨｚ時の実効波長の３倍として、導波路の特性インピーダンスを５０Ω、誘電体基板の厚さｈを０．６３５ｍｍ、誘電体基板の比誘電率ε_ｒを１０．２に設定し、マイクロストリップラインの幅ｗを決定した。

図２３は、本実施例に係るマイクロストリップラインの一例であり、（ａ）はマイクロストリップラインの幅の分布、（ｂ）は直線状にしたときのマイクロストリップラインの形状を示す。図２３（ａ）においてＰｏｓｉｔｉｏｎ［ｍｍ］はマイクロストリップラインの長手方向における入出力ポートからの長さを示し、Ｗｉｄｔｈ［ｍｍ］はマイクロストリップラインの幅ｗを示す。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が１０箇所以上存在している。図２３（ｂ）においてＰｏｓｉｔｉｏｎ［ｍｍ］は誘電体基板の長さ方向（図２に示す符号ｚ方向）への入出力ポートからの距離を示し、Ｗｉｄｔｈ［ｍｍ］は誘電体基板の幅方向（図２に示す符号ｙ方向）への入出力ポートからの距離を示す。

次に、決定ステップで得られたマイクロストリップラインを用いて、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２４は、図２３に示すバンドパスフィルタの周波数特性であり、（ａ）は反射波の振幅特性、（ｂ）は反射波の群遅延特性を示す。
本実施例に係るバンドパスフィルタは、周波数７．３ＧＨｚ以上１０．２ＧＨｚ以下の周波数領域では、反射率は−２ｄＢ以上であり、群遅延特性の変動は±０．２ｎｓ以下であった。また、周波数６．７ＧＨｚ未満、及び、周波数１０．８ＧＨｚ超の周波数領域では、反射率は−２０ｄＢ以下であった。

図２５は、マイクロストリップラインが５個のメアンダ形状を有する場合のマイクロストリップラインの形状の一例である。図３に示すメアンダ形状において、直線状の部分の数Ｎを１０、直線状の部分の間隔ｓを３ｍｍ、入出力ポートと直線状の部分までの間隔ｑを３ｍｍとした。Ｗｉｄｔｈ０ｍｍ近傍にある端部が入出力ポート、Ｗｉｄｔｈ２７ｍｍ近傍にある端部が無反射終端されているポートとなっている。必要となる誘電体基板の長さは、図２３に示す直線状のときの約１／１０となっている。このときの周波数特性は、図２４に示す直線状のものとほぼ同じであった。

図２６は、マイクロストリップラインが１０個のメアンダ形状を有する場合のマイクロストリップラインの形状の一例である。図３に示すメアンダ形状において、直線状の部分の数Ｎを２０、直線状の部分の間隔ｓを２ｍｍ、入出力ポートと直線状の部分までの間隔ｑを０ｍｍとした。Ｗｉｄｔｈ０ｍｍ近傍にある端部が入出力ポート、Ｗｉｄｔｈ３７ｍｍ近傍にある端部が無反射終端されているポートとなっている。必要となる誘電体基板の長さは、図２３に示す直線状のときの約１／２０となっている。このときの周波数特性は、図２４に示す直線状のものとほぼ同じであった。

本発明は、超広帯域無線システムの無線局に利用することができる。

本実施形態に係るバンドパスフィルタの構成概略図である。マイクロストリップラインの形態の一例を示した構成図であり、（ａ）は直線状の場合、（ｂ）は２．５個のメアンダを備える場合、（ｃ）は１個のメアンダを備える場合を示す。マイクロストリップラインの形態の他の一例を示した構成図である。マイクロストリップラインの折り返し部分の一例を示す拡大図である。実施例１に係るマイクロストリップラインの一例であり、（ａ）はマイクロストリップラインの幅の分布、（ｂ）は直線状にしたときのマイクロストリップラインの形状を示す。図５に示すバンドパスフィルタの周波数特性であり、（ａ）は反射波の振幅特性、（ｂ）は反射波の群遅延特性を示す。実施例１に係るマイクロストリップラインが１個のメアンダ形状を有する場合のマイクロストリップラインの形状の一例である。実施例１に係るマイクロストリップラインが１．５個のメアンダ形状を有する場合のマイクロストリップラインの形状の一例である。実施例２に係るマイクロストリップラインの一例であり、（ａ）はマイクロストリップラインの幅の分布、（ｂ）は直線状にしたときのマイクロストリップラインの形状を示す。図９に示すマイクロストリップラインの周波数特性であり、（ａ）は反射波の振幅特性、（ｂ）は反射波の群遅延特性を示す。実施例２に係るマイクロストリップラインが１個のメアンダ形状を有する場合のマイクロストリップラインの形状の一例である。実施例２に係るマイクロストリップラインが１．５個のメアンダ形状を有する場合のマイクロストリップラインの形状の一例である。実施例２に係るマイクロストリップラインが２個のメアンダ形状を有する場合のマイクロストリップラインの形状の一例である。実施例３に係るマイクロストリップラインの一例であり、（ａ）はマイクロストリップラインの幅の分布、（ｂ）は直線状にしたときのマイクロストリップラインの形状を示す。図１４に示すバンドパスフィルタの周波数特性であり、（ａ）は反射波の振幅特性、（ｂ）は反射波の群遅延特性を示す。実施例３に係るマイクロストリップラインが１個のメアンダ形状を有する場合のマイクロストリップラインの形状の一例である。実施例３に係るマイクロストリップラインが１．５個のメアンダ形状を有する場合のマイクロストリップラインの形状の一例である。実施例３に係るマイクロストリップラインが２個のメアンダ形状を有する場合のマイクロストリップラインの形状の一例である。実施例３に係るマイクロストリップラインが２．５個のメアンダ形状を有する場合のマイクロストリップラインの形状の一例である。実施例４に係るマイクロストリップラインの一例であり、（ａ）はマイクロストリップラインの幅の分布、（ｂ）は直線状にしたときのマイクロストリップラインの形状を示す。図２０に示すバンドパスフィルタの周波数特性であり、（ａ）は反射波の振幅特性、（ｂ）は反射波の群遅延特性を示す。実施例４に係るマイクロストリップラインが３個のメアンダ形状を有する場合のマイクロストリップラインの形状の一例である。実施例５に係るマイクロストリップラインの一例であり、（ａ）はマイクロストリップラインの幅の分布、（ｂ）は直線状にしたときのマイクロストリップラインの形状を示す。図２３に示すバンドパスフィルタの周波数特性であり、（ａ）は反射波の振幅特性、（ｂ）は反射波の群遅延特性を示す。実施例５に係るマイクロストリップラインが５個のメアンダ形状を有する場合のマイクロストリップラインの形状の一例である。実施例５に係るマイクロストリップラインが１０個のメアンダ形状を有する場合のマイクロストリップラインの形状の一例である。

符号の説明

１１誘電体基板
１２グランド板
１３マイクロストリップライン
１５、１６ポート
２１、２１ａ、２１ｂ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軸
３１折り返し部分
３２直線状の部分

Claims

幅が不均一でありかつメアンダ形状を有するマイクロストリップラインを備えるバンドパスフィルタであって、
前記マイクロストリップラインは、変化のある不均一な幅によって局所的な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ていることを特徴とするバンドパスフィルタ。
前記メアンダ形状は、折り返し部分が滑らかに湾曲していることを特徴とする請求項１に記載のバンドパスフィルタ。
前記メアンダ形状は、折り返し部分が円弧状に湾曲していることを特徴とする請求項１又は２に記載のバンドパスフィルタ。
前記メアンダ形状は、折り返し部分同士の間が直線状であり、当該直線状の部分における前記マイクロストリップラインの長手方向の中心軸同士が略平行になってい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バンドパスフィルタ。
前記マイクロストリップラインの長手方向の側線が、前記マイクロストリップラインの長手方向の中心軸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バンドパスフィルタ。
前記マイクロストリップラインの長手方向の側線の一方が、前記マイクロストリップラインの長手方向の中心軸と略平行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バンドパスフィルタ。
前記マイクロストリップラインは、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から６のいずれかに記載の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７に記載のバンドパスフィルタ。
変化のある不均一な幅によって局所的な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、かつメアンダ形状を有するマイクロストリップラインを備えるバンドパスフィルタの設計方法であって、
前記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、
前記設定ステップで設定した周波数特性となる局所的な特性インピーダンスを、Ｚａｋｈａｒｏｖ−Ｓｈａｂａｔ方程式の逆散乱問題を解くことによって算出する算出ステップと、
前記導波路の特性インピーダンス並びに前記マイクロストリップラインが形成されている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、反射周波数帯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９に記載のバンドパスフィルタの設計方法。