JP2010226515A

JP2010226515A - 帯域通過フィルタ

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Publication number: JP2010226515A
Application number: JP2009072666A
Authority: JP
Inventors: Ikuo Awai; 郁雄粟井; Yangjun Zhang; 陽軍張; Toshihiro Ishitani; 豪浩石谷; Masahiro Fujimoto; 正弘藤本
Original assignee: HIRAI SEIMITSU KOGYO CORP; Ryukoku University
Current assignee: HIRAI SEIMITSU KOGYO CORP; Ryukoku University
Priority date: 2009-03-24
Filing date: 2009-03-24
Publication date: 2010-10-07

Abstract

【課題】複数個の共振器がインターディジタル配置でブロードサイド結合してなる共振器群が複数並列に設けられた帯域通過フィルタにおいて、スプリアス帯域を十分に低減した帯域通過フィルタを提供する。
【解決手段】この帯域通過フィルタ１は、互いに同数の複数個の共振器からなる入力側共振器群２、中間部共振器群３、出力側共振器群４を備え、高周波信号が入力される基端部２０ａと接地導体１Ａ’に接続される先端部２０ｂを有し、入力側共振器群２の最も下側の共振器にブロードサイド結合する入力信号線路２０と、フィルタ処理を行った高周波数信号を出力する基端部４０ａを有し、出力側共振器群４の最も下側の共振器にブロードサイド結合する出力信号線路４０と、を備えてなり、λ／４の共振モードに存在するスプリアス帯域を十分に低減する。
【選択図】図１

Description

本発明は、マイクロ波周波数帯などの高周波数領域で使用する帯域通過フィルタに関する。

近年、マイクロ波などの高周波数信号の帯域通過フィルタ（ＢａｎｄＰａｓｓＦｉｌｔｅｒ：ＢＰＦ）に関する研究開発が盛んに行われている。この種の帯域通過フィルタは、λ／４（１／４波長）などで共振する共振器をいくつか設けてそれらを結合させ、所望の帯域の高周波信号を共振器から共振器に伝播させることにより構成するのが一般的である。共振器を構成するためには、小型化のために、信号線路及び共振器をパターニングされた薄い導体（いわゆるストリップ導体）としたものが広く用いられている。

一般に、λ／４共振器を用いた帯域通過フィルタは、λ／４の共振モードとその奇数倍の高調波帯域の共振モードを有しているため、本来通過させたいλ／４の共振モードの帯域の他に不要な高調波帯域をも通過させてしまう。このような不要な帯域はスプリアス帯域と称され、それを低減するには、帯域通過フィルタと直列に低域通過フィルタなどの別のフィルタ等を設けることもできるが、小型化には不都合である。

特許文献１に記載の帯域通過フィルタは、エッジ結合している各々のストリップ導体の共振器のインピーダンスを微妙に変化させてスプリアス帯域を低減したものである。なお、エッジ結合は、２個の共振器を横に並べるように同一層に形成して結合させたものである。一方、後述のブロードサイド結合は、２個の共振器を別の層に形成して縦に重なるように配置して結合させたものである。

特許文献１に記載の帯域通過フィルタは、それ自体がスプリアス帯域を低減するので、上記の別のフィルタ等を設ける場合であってもその素子を少なくすることができて小型化に都合が良い。このように、帯域通過フィルタ自体がスプリアス帯域を低減するようなのが好ましい。

特許文献２に記載の帯域通過フィルタは、インターディジタル配置でブロードサイド結合しているストリップ導体の複数個の共振器からなる共振器群が複数並列に設けられたものである。これらは、ストリップ導体を少なくすることができるために、小型化に非常に有利である。なお、インターディジタル配置は、２個の共振器間で、一方の共振器の開放端と他方の共振器の短絡端（接地導体に接続された端）とが対向し、一方の共振器の短絡端と他方の共振器の開放端とが対向した配置のものである。

特開２００３−６９３０６号公報特開２００８−９２１１３号公報

しかし、特許文献２に記載されているような帯域通過フィルタは、共振器間の結合が強い（結合係数ｋが大きい）ため、λ／４の共振モードが分裂する。そのため、その中の１つの共振モードを本来通過させるべき帯域（基本帯域）の共振モード（基本モード）とすると、その他は基本帯域と余り周波数の差がないスプリアス帯域の共振モード（スプリアスモード）となるので、スプリアス帯域はより複雑になる。

本発明は、係る事由に鑑みてなされたものであり、その目的は、複数個の共振器がインターディジタル配置でブロードサイド結合してなる共振器群が複数並列に設けられた帯域通過フィルタにおいて、スプリアス帯域を十分に低減した帯域通過フィルタを提供することにある。

上記目的を達成するために、請求項１に記載の帯域通過フィルタは、インターディジタル配置でブロードサイド結合した複数個の共振器からなり、短絡端が接地導体に接続される入力側共振器群と、入力側共振器群と同数のインターディジタル配置のブロードサイド結合した共振器からなり、入力側共振器群の横方向に並列配置されるとともに、短絡端が接地導体に接続される出力側共振器群と、高周波信号が入力される基端部と接地導体に接続される先端部を有し、入力側共振器群の最も上側又は下側の共振器にブロードサイド結合する入力信号線路と、フィルタ処理を行った高周波数信号を出力する基端部を有し、出力側共振器群の最も上側又は下側の共振器にブロードサイド結合する出力信号線路と、を備えてな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は、請求項１に記載の帯域通過フィルタにおいて、前記入力側共振器群及び前記出力側共振器群と同数のインターディジタル配置のブロードサイド結合した共振器からなり、入力側共振器群と出力側共振器群の横方向の中間に並列配置されるとともに、短絡端が接地導体に接続される中間部共振器群を更に備えてな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は、請求項１又は２に記載の帯域通過フィルタにおいて、入力側共振器群と出力側共振器群の間のスプリアスモードの結合係数が基本モードの結合係数の所定割合よりも大きいスプリアス帯域は、入力側共振器群と入力信号線路の間の外部結合係数が所定割合よりも小さいことを特徴とする。

請求項４に記載の帯域通過フィルタは、請求項１乃至３のいずれか１項に記載の帯域通過フィルタにおいて、出力側共振器群と出力信号線路が重なる長さは、入力側共振器群と入力信号線路が重なる長さと異なることを特徴とする。

本発明の帯域通過フィルタによれば、複数個の共振器がインターディジタル配置でブロードサイド結合した共振器群が複数並列に設けられた帯域通過フィルタにおいて、入力信号線路が入力側共振器群とブロードサイド結合し、かつ、その先端部が接地導体に接続されるので、全てのモードのスプリアス帯域を十分に低減することが可能になる。

本発明の実施形態に係る帯域通過フィルタを透視的に示す斜視図である。同上の帯域通過フィルタを透視的に示す正面図である。同上の帯域通過フィルタを透視的に示す平面図と底面図である。同上の帯域通過フィルタの共振器群を構成する共振器の間隔に対して共振モードの共振周波数が変化することを示す特性図である。同上の帯域通過フィルタの共振器群の共振モードの電界分布の模式図である。同上の帯域通過フィルタの共振器群の共振モードの磁界分布の模式図である。同上の帯域通過フィルタの結合係数等と共振器群間の距離との関係を示す特性図である。図７と同様の関係を示す別の特性図である。同上の帯域通過フィルタの外部結合係数とオーバラップ長の関係を示す特性図である。同上の製作した帯域通過フィルタの特性の測定結果を示す特性図である。

以下、本発明を実施するための好ましい形態を図面を参照しながら説明する。図１は、本発明の実施形態に係る帯域通過フィルタ１を透視的に示す正面左斜め上から見た斜視図である。図２は、帯域通過フィルタ１を透視的に示す正面図である。図３（ａ）、（ｂ）は帯域通過フィルタ１を透視的に示す平面図、底面図である。

この帯域通過フィルタ１は、横方向に並列配置された入力側共振器群２、中間部共振器群３、出力側共振器群４を有している。また、帯域通過フィルタ１の略直方体状の外郭体１ａを成す絶縁材料（例えば、ＬＴＣＣ）の対向する２面に、接地導体１Ａ、１Ａ’が設けられている。図１においては、この絶縁材料と接地導体１Ａ、１Ａ’は透視されている。入力側共振器群２は、インターディジタル配置でブロードサイド結合した複数個の共振器２１、２２、２３、２４からなる（図２参照）。共振器２１、２３の短絡端は接地導体１Ａに接続されており、共振器２２、２４の短絡端は接地導体１Ａ’に接続されている。中間部共振器群３も同様に、インターディジタル配置でブロードサイド結合した複数個の共振器３１、３２、３３、３４からなり、短絡端が接地導体１Ａ又は１Ａ’に接続されている。出力側共振器群４も同様に、インターディジタル配置でブロードサイド結合した複数個の共振器４１、４２、４３、４４からなり、短絡端が接地導体１Ａ又は１Ａ’に接続されている。これらの共振器２１、２２、２３、２４、３１、３２、３３、３４、４１、４２、４３、４４や後述する入力信号線路２０及び出力信号線路４０は、ストリップ導体であり、それらの間には前述の外郭体１ａの絶縁材料が存在している。また、共振器２１、２２、２３、２４、３１、３２、３３、３４、４１、４２、４３、４４は、λ／４共振器である。

また、帯域通過フィルタ１は、外部からのマイクロ波などの高周波数信号が入力される入力信号線路２０と、フィルタ処理を行った高周波数信号を外部に出力する出力信号線路４０と、を有している。入力信号線路２０は、外郭体１ａから端が露出して高周波信号が入力される基端部２０ａと、接地導体１Ａ’に接続される先端部２０ｂを有している。入力信号線路２０は、基端部２０ａと先端部２０ｂの間の中間部２０ｃで、入力側共振器群２の最も下側の共振器２１にブロードサイド結合、すなわち、図３（ｂ）に示すように、所定の長さが共振器２１に重なって（オーバラップして）いる。出力信号線路４０は、フィルタ処理を行った高周波数信号を出力する基端部４０ａと、接地導体１Ａ’に接続される先端部４０ｂを有している。出力信号線路４０は、基端部４０ａと先端部４０ｂの間の中間部４０ｃで、出力側共振器群４の最も下側の共振器４１にブロードサイド結合、すなわち、図３（ｂ）に示すように、所定の長さが共振器４１に重なって（オーバラップして）いる。なお、後述するように、出力信号線路４０の先端部は短絡しない場合もある。また、入力信号線路２０と出力信号線路４０はそれぞれ、最も上側の共振器２４、４４に結合していてもよい。

帯域通過フィルタ１を通過する基本帯域及びスプリアス帯域の強度（大きさ）は、入力側共振器群２、中間部共振器群３、出力側共振器群４における２つの共振器群間の結合の程度を示す結合係数ｋ、入力信号線路２０と入力側共振器群２との間の結合の程度を示す外部結合係数ｋｘ、共振器群の数、に依存する。各スプリアスモードの結合係数ｋや外部結合係数ｋｘが小さければ、各スプリアス帯域の強度は小さい。なお、小型化には反するが、共振器群の数を多くすると、基本帯域に対するスプリアス帯域の強度を相対的に小さくすることができる。

以下、図４〜図９に基づき、スプリアス帯域の低減について詳しく順に説明する。

図４は、１つの共振器群において、それを構成する共振器の（縦方向の）間隔Ｓに対して各々の共振モードの共振周波数が変化することを示す特性図である。この特性は、入力側共振器群２、中間部共振器群３、出力側共振器群４の全てについて共通する。なお、図４のデータは、電磁界分布のシミュレーションソフトであるアンソフト社製ＨＦＳＳを用いたシミュレーションによるものである。

１つの共振器群は、λ／４の共振モードの他に、その奇数倍（３倍、５倍、・・・）の高調波帯域の共振モードを有しているのであるが、着目すべきは、λ／４の共振モードや高調波帯域の共振モードの各々が更に分裂して、共振周波数が異なる４の共振モードが存在することである。図４では、λ／４の共振モードに存在する４つの共振モードをＭ_１１、Ｍ_１２、Ｍ_１３、Ｍ_１４と称し、それらの共振周波数をｆ_１１、ｆ_１２、ｆ_１３、ｆ_１４と称す。３倍の高調波帯域に存在する４つの共振モードをＭ_２１、Ｍ_２２、Ｍ_２３、Ｍ_２４と称し、それらの共振周波数をｆ_２１、ｆ_２２、ｆ_２３、ｆ_２４と称す。

ここで、帯域通過フィルタ１の基本モードは、最低の周波数での共振モードであるＭ_１１である。その以外のものはスプリアスモードとみなされる。このλ／４の共振モードに存在するスプリアス帯域を抑圧することが非常に重要である。なお、明細書の直接の要旨ではないが、図４に示すように、共振器間の間隔Ｓが小さい程、基本モードの共振周波数ｆ_１１は低下し、スプリアスモードの共振周波数ｆ_１２との周波数比が大きくなるので、共振器間の間隔を小さくすることで、帯域通過フィルタ１の特性が良くなることが言える。

１つの共振器群における共振器間の電磁界分布について説明する。図５は、Ｍ_１１、Ｍ_１２、Ｍ_１３、Ｍ_１４のそれぞれの電界分布の模式図である。図６は、Ｍ_１１、Ｍ_１２、Ｍ_１３、Ｍ_１４のそれぞれの磁界分布の模式図である。図５、図６に示すように、共振モードによって電磁界分布は異なるため、電磁界が有するエネルギーに応じて共振周波数は複数に分裂しているのである。

２つの共振器群間の結合の程度を示す結合係数ｋは、以下の（１）式のように、磁気結合係数ｋ_ｍと電気結合係数ｋ_ｅの差で与えられる。磁気結合係数ｋ_ｍと電気結合係数ｋ_ｅはそれぞれ、（２）式、（３）式のように、分母の正規化定数は別として、磁界同士の空間重なり（磁気結合成分）を積分した値と電界同士の空間重なり（電気結合成分）を積分した値である。

図７は、結合係数ｋ、磁気結合係数ｋ_ｍ、電気結合係数ｋ_ｅと共振器群間の距離ｄの関係を示す特性図である。なお、図７のＭ_１１については、結合係数ｋのラインと磁気結合係数ｋ_ｍのラインはほぼ重なっている。図７に示すように、結合係数ｋは共振モードに応じて異なる。

図８は、図７の結合係数ｋをまとめ、更に、高調波のスプリアスモードの結合係数ｋも記入したものである。図８に示すように、Ｍ_１２、Ｍ_１３、Ｍ_２２、Ｍ_２３の結合係数ｋはＭ_１１に比べてほぼ２桁以上小さいので、スプリアス帯域の強度も十分に小さいものである。しかし、Ｍ_１４、Ｍ_２１、Ｍ_２４の結合係数ｋはＭ_１１に比べて１０分の１前後小さいだけであり、望ましい比率（所定割合）を１０分の１とすると、それよりも大きいか余裕のないものである。結合係数ｋが基本モードの所定割合よりも大きいスプリアス帯域は以下のようにして抑圧する。

図９は、入力信号線路２０と入力側共振器群２との重なる長さ（オーバラップ長）Ｌに対して外部結合係数ｋｘがどのように変わるかを示した図である。外部結合係数ｋｘは、入力信号線路２０と入力側共振器群２との間の結合の程度を示すものであって、外部Ｑ値の逆数である。図９に示すように、Ｍ_１４は、オーバラップ長Ｌが約１．１ｍｍ以上で消失している。また、Ｍ_２１、Ｍ_２４はそれぞれ、オーバラップ長Ｌが約０．２ｍｍ、０．４ｍｍ以上で消失している。従って、オーバラップ長Ｌを約１．１ｍｍ以上にすれば、Ｍ_１４、Ｍ_２１、Ｍ_２４の外部結合係数ｋｘは所定割合よりも小さくなるため、それらのスプリアス帯域は抑圧される。このように、入力側共振器群２と出力側共振器群３の間のスプリアスモードの結合係数ｋが基本モードの結合係数ｋに比べて十分に小さくない場合は、入力信号線路２０の先端を短絡して入力信号線路２０と入力側共振器群２との重なる長さを調整することによって、全てのスプリアス帯域について抑圧することができる。なお、入力信号線路２０の先端を開放した場合は、Ｍ_１４、Ｍ_２１、Ｍ_２４が消失する条件はなかった。

このようにして入力信号線路２０の形状や配置について決められるが、出力信号線路４０については、入力信号線路２０と同様にしなくてもよい。すなわち、基本帯域について外部との整合条件を満たし、スプリアス帯域を抑圧できるのならば、出力信号線路４０を入力信号線路２０とは異なる形状とすることができる。具体的には、出力側共振器群４と出力信号線路４０が重なる長さを入力側共振器群２と入力信号線路２０が重なる長さと違えてもよいし、出力信号線路４０を開放してもよい。

以上のようにして、λ／４の共振モードに存在するスプリアス帯域を含む全てのモードのスプリアス帯域を十分に低減することが可能になるのである。図１０は、ＬＴＣＣ（低温同時焼結セラミックス）に組み入れて製作した帯域通過フィルタ１の特性の測定結果である。図中の曲線Ｓ_１１は反射特性、曲線Ｓ_２１は通過特性である。基本帯域の共振周波数ｆ_１１は３．５ＧＨｚである。なお、外郭体１ａのサイズは、長さ（基端部２０ａから基端部４０ａまでの長さ）が１．８ｍｍ、幅が１．６ｍｍ、高さが０．７３ｍｍであり、絶縁材料の比誘電率は１８．３、ストリップ導体の導電率は３．８×１０^７Ｓ／ｍである。図１０より、３０ＧＨｚまでの極めて広い帯域に渡ってスプリアス帯域が−２０ｄＢ以下に十分に抑圧されていることが分かる。

以上、本発明の実施形態に係る帯域通過フィルタについて説明したが、本発明は、上述の実施形態に記載したものに限られることなく、特許請求の範囲に記載した事項の範囲内でのさまざまな設計変更が可能である。例えば、本実施形態の中間部共振器群３はスプリアス帯域の望まれる低減の程度によっては必要でないし、逆に、中間部共振器群３を２つ以上に増やすことも可能である。また、本実施形態では、入力側共振器群２、中間部共振器群３、出力側共振器群４を構成する共振器の数を４個としているが、２個、３個、或いは５個以上とすることも可能である。また、本実施形態で説明した帯域通過フィルタは、マイクロストリップライン、コプレーナライン、ＳＩＲ（ＳｔｅｐｐｅｄＩｍｐｅｄａｎｃｅＲｅｓｏｎａｔｏｒ）などにおいて、形成することができる。

１帯域通過フィルタ
１ａ外郭体
１Ａ、１Ａ’ 接地導体
２入力側共振器群
２１〜２４入力側共振器群を構成する共振器
２０入力信号線路
２０ａ入力信号線路の基端部
２０ｂ入力信号線路の先端部
４出力側共振器群
４１〜４４出力側共振器群を構成する共振器
４０出力信号線路
４０ａ出力信号線路の基端部
４０ｂ出力信号線路の先端部

Claims

インターディジタル配置でブロードサイド結合した複数個の共振器からなり、短絡端が接地導体に接続される入力側共振器群と、
入力側共振器群と同数のインターディジタル配置のブロードサイド結合した共振器からなり、入力側共振器群の横方向に並列配置されるとともに、短絡端が接地導体に接続される出力側共振器群と、
高周波信号が入力される基端部と接地導体に接続される先端部を有し、入力側共振器群の最も上側又は下側の共振器にブロードサイド結合する入力信号線路と、
フィルタ処理を行った高周波数信号を出力する基端部を有し、出力側共振器群の最も上側又は下側の共振器にブロードサイド結合する出力信号線路と、を備えてなることを特徴とする帯域通過フィルタ。
請求項１に記載の帯域通過フィルタにおいて、
前記入力側共振器群及び前記出力側共振器群と同数のインターディジタル配置のブロードサイド結合した共振器からなり、入力側共振器群と出力側共振器群の横方向の中間に並列配置されるとともに、短絡端が接地導体に接続される中間部共振器群を更に備えてなることを特徴とする帯域通過フィルタ。
請求項１又は２に記載の帯域通過フィルタにおいて、
入力側共振器群と出力側共振器群の間のスプリアスモードの結合係数が基本モードの結合係数の所定割合よりも大きいスプリアス帯域は、入力側共振器群と入力信号線路の間の外部結合係数が所定割合よりも小さいことを特徴とする帯域通過フィルタ。
請求項１乃至３のいずれか１項に記載の帯域通過フィルタにおいて、
出力側共振器群と出力信号線路が重なる長さは、入力側共振器群と入力信号線路が重なる長さと異なることを特徴とする帯域通過フィルタ。