JP2013533700A

JP2013533700A - Ｐｃｂに取り付けられたマイクロ波リエントラント型共振空洞のためのカップリング機構

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Publication number: JP2013533700A
Application number: JP2013517163A
Authority: JP
Inventors: コキノス，ティトス
Original assignee: アルカテル−ルーセント
Priority date: 2010-06-29
Filing date: 2011-06-21
Publication date: 2013-08-22
Anticipated expiration: 2031-06-21
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Abstract

３ＤＰＣＢに取り付けられた共振空洞にマイクロ波信号を供給するカップリング機構。マイクロ波信号は、プリント回路板ＰＣＢ（６７）に埋め込まれた伝送線路（６１）から、このＰＣＢの金属被膜された外部表面（７３）上に取りら付けられた共振空洞（６０）に結合される。カップリング機構は、伝送線路の端部が共振空洞内部のＰＣＢの外部層に設置された、金属被膜された給電パッド（６３／７１）を備えているという事実のために高品質のフィルタリングをもたらす、製作しやすい機構を実現する。共振空洞は、ＰＣＢに直交し、容量性ギャップ（６６）によってＰＣＢから分離されるリエントラント型内部スタブ（６４）を備える。金属被膜された給電パッド（６３）は、容量性ギャップの領域の内部スタブに面し、この内部スタブの軸方向からオフセットされている。金属被膜された給電パッド（６３、７１）は、表面の容量性ギャップ（７４）によってＰＣＢの金属被膜された外部表面からさらに分離される。

Description

本発明は、マイクロ波信号を、プリント回路板ＰＣＢに埋め込まれた伝送線路から前記ＰＣＢ上に取り付けられた共振空洞へ結合するためのカップリング機構に関する。

ＲＦフロントエンドのフィルタリング／デュプレックス化機器は、現代の携帯電話の高出力基地局（ＢＴＳ）の性能および適合性にとって最も重要な機器の１つである。全体的に高いＢＴＳ出力効率に対する要求および監督官庁によって課された厳格な遵守規則により、これらのフィルタリング／デュプレックス化機器の伝達関数は、最小の帯域内挿入損失失、最大の帯域外の除去および高い近接帯域選択性などのいくつかの厳しい仕様を満足しなければならない。通常要求される高出力の取り扱い能力に加えて、そうした伝達関数を実現することは、容積がかさばり、製作が高価なフィルタリング装置に帰着する。

基本となるＲＦ技術の点においては、これらのフィルタは、通常、空洞を形成する壁面上の絞り（Ｉｒｉｓ）または他の欠陥を通して結合される導波路／空洞共振器から構成される。共振空洞および用いられるカップリング機構の正確な寸法がフィルタのＲＦ特性（動作帯域、挿入損失、反射減衰量）を決定するので、高い機械的な精度が、それらの製作中に必要とされる。それにもかかわらず、必要とされる精度は、生産プロセス中にはほとんど達成されず、したがってフィルタの伝達関数の最適化のために、生産後に人手による調整が必要とされる。

はるかに高いデータ転送速度およびより激しいトラフィックをサポートすることができる将来の携帯電話ネットワークは、より小さなセル（ＢＴＳ当たりの放射出力がより小さい）から構成される、またはエレメント当たり中出力レベルを放射する、いくつかのモジュール式の無線機（例えば、アクティブ・アンテナ・アレイ）から構成されるＢＴＳを用いることが想像される。そのような場合、各ＢＴＳのＲＦフロントエンドによって放射される出力が低減されるため、フィルタに対する要求を緩和することが可能である（例えば帯域内挿入損失または近接帯域の選択性に対する要求が緩和される）が、これらのＢＴＳのアーキテクチャは、フィルタの容積および重量に関連するいくつかの追加の要求、およびフィルタと残りのＲＦフロントエンドとの一体化可能性を強いることになるであろう。

これらの新しい要求を考慮すると、将来の、小さなセルまたはモジュール式のＢＴＳのフィルタリング／デュプレックス化機器は、現代のＢＴＳの伝統的な高出力フィルタリング／デュプレックス化機器よりも現在モバイル端末において用いられているものにより類似する可能性がある。実際には、（それらの機器の品質性能およびサイズ特性の点において）これら２つの極端なケースの間に位置するフィルタリング技術が、そうした用途に対して最も適切なものとなるであろう。

セラミック・フィルタは、そうした用途に最適の解決策を提供することができる技術の１つである。それにもかかわらず、中出力の取り扱い仕様（例えば、４Ｗを超える平均出力）または厳密な分離条件（例えば、ＦＤＤＬＴＥ２．６ＧＨｚ帯に対するＴｘ／Ｒｘ分離）を満足するそうしたフィルタの設計は、必ずしも可能ではない。その上、この技術のコストは、生産量に大きく依存し、そうしたフィルタが数百万の量で生産されなければ、フィルタ当たりのコストはかなり高い状態に留まる。

高品質のフィルタリング性能および比較的小さいサイズ特性または一体化可能性の特徴を同時に必要とする用途において用いることのできる別のフィルタリング技術は、表面実装フィルタリング技術である。この手法においては、リエントラント型（同軸）共振器などの３Ｄ共振空洞（高Ｑ値を提供することができる）が、従来のプリント回路板ＰＣＢ上に取り付けられる。これらの空洞は、ＰＣＢに埋め込まれた伝送線路によって相互に接続される。また、この同じ伝送線路が必要なフィルタ機能を実現するためにも使用される。このように、このフィルタリング装置は、同じＰＣＢ上でＲＦフロントエンドの残りと一体化することができる。

プリント回路板ＰＣＢ１４上に取り付けられた従来のマイクロ波のリエントラント型（同軸）共振器の断面図が、図１に示される。この構成において、共振器１０の３Ｄ部分は、プリント回路板ＰＣＢ１４の金属被膜された外部表面上にはんだ付けされている（はんだ層１３によって）。この場合、共振器１０の３Ｄ部分、および３Ｄ構成部品によって境界を定められるＰＣＢの外部表面の両方が、共振空洞１５を形成する。共振器１０の３Ｄ部分に関する限りは、この３Ｄ部分は、外部壁１１、内部リエントラント型スタブ／ロッド１２から構成され、円柱状または矩形形状（同軸構成の）のいずれかであってよい。この部分は、金属塊を機械成型するかもしくは鋳造するかのいずれかによって、または金属メッキを施したプラスチックの３Ｄ形態（重量低減のために）によって形成することができる。

共振する空気で満たされた空洞１５の電磁的性質は、実効的な同軸構成（すなわち、内部ロッド１２の長さ、および空洞の外壁１１からの内部ロッド１２の距離）、および内部ロッド１２と共振空洞の一部を構成するＰＣＢの金属被膜された外部表面との間に形成される容量性ギャップ１６の正確な寸法に依存する。

図１の共振空洞と類似した共振空洞を使用して、マイクロ波のフィルタリング構造を合成するためには、マイクロ波信号を空洞へと、かつ空洞から離れるように導かなければならない。これは、用いられるＰＣＢを介して、さらにＰＣＢ上に異なるタイプの伝送線路を埋め込むことによって行うことができる。このことも、図１に概略的に表わされ、ＰＣＢ上に埋め込まれた入力導波路／伝送線路１７がマイクロ波信号を空洞へと導き、カップリング機構１８を介して空洞に信号を供給し、次に、共振信号が、別のカップリング機構１９を介して出力導波路／伝送線路２０に供給される。

次に、マイクロ波フィルタは、図２のような従来のフィルタ合成モデルに基づいて合成することができ、用いられる共振器３０が、アドミタンス・インバータ３１を介して相互に接続されて、特定の伝達関数を実現するように適切に合成される。図１のような空洞の場合、インバータは、ＰＣＢに埋め込まれた伝送線路も使用して設計することができる。

図１のような共振空洞を実現するために、この構成の比較優位性をそのままにして（完全にプリントされた相互接続線路およびカップリング機構）、カップリング機構１８、１９を設計することは、最も困難な部分である。

解決策は、ＪａｎＨｅｓｓｅｌｂａｒｔｈの文献、例えば、「Ｒｅ−ｅｎｔｒａｎｔｒｅｓｏｎａｎｔｃａｖｉｔｉｅｓ、ｆｉｌｔｅｒｓｉｎｃｌｕｄｉｎｇｓｕｃｈｃａｖｉｔｉｅｓａｎｄｍｅｔｈｏｄｏｆｍａｎｕｆａｃｔｕｒｅ」という名称の特許出願ＷＯ２００８／０３６１８０Ａ２、「Ｒｅｓｏｎａｎｔｃａｖｉｔｉｅｓａｎｄｍｅｔｈｏｄｏｆｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇｓｕｃｈｃａｖｉｔｉｅｓ」という名称の特許出願ＷＯ２００８／０３６１７９Ａ１、「Ｒｅ−ｅｎｔｒａｎｔｒｅｓｏｎａｎｔｃａｖｉｔｉｅｓ、ｆｉｌｔｅｒｓｉｎｃｌｕｄｉｎｇｓｕｃｈｃａｖｉｔｉｅｓａｎｄｍｅｔｈｏｄｏｆｍａｎｕｆａｃｔｕｒｅ」という名称の特許出願ＷＯ２００８／０３６１７８Ａ１、およびＰｒｏｃ．ＥｕｒｏｐｅａｎＭｉｃｒｏｗａｖｅＣｏｎｆｅｒｅｎｃｅ２００７における公表文献「Ｓｕｒｆａｃｅ−ｍｏｕｎｔｃａｖｉｔｙｆｉｌｔｅｒｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ」、４４２〜４４５ページ、２００７年、１０月において提案されている。

これらの文献においては、図３に示されるように、３Ｄ共振空洞を二等分し、空洞の第１の半分をＰＣＢの上部外部表面上に設置し、空洞の他の半分をＰＣＢの下部外部表面上に設置することによって、上記の課題に対処している。この構成では、空洞の２つの部分は、ＰＣＢに埋め込まれたバイア・ポスト４４を使用して、ＰＣＢを介して電気的に接続され、マイクロ波信号が、空洞を貫く伝送線路４５を介して空洞の内部スタブ間と電気的に結合されている。この手法は、実験的に実証されたが、ＰＣＢそのもの、および相互接続するバイア・ポストが共振空洞の一部であるため、この構成における空洞の動作は、通常比較的高い損失（Ｑ係数の減少）を伴った。

ＷＯ２００８／０３６１８０Ａ２、ＪａｎＨｅｓｓｅｌｂａｒｔｈ、「Ｒｅ−ｅｎｔｒａｎｔｒｅｓｏｎａｎｔｃａｖｉｔｉｅｓ、ｆｉｌｔｅｒｓｉｎｃｌｕｄｉｎｇｓｕｃｈｃａｖｉｔｉｅｓａｎｄｍｅｔｈｏｄｏｆｍａｎｕｆａｃｔｕｒｅ」ＷＯ２００８／０３６１７９Ａ１、ＪａｎＨｅｓｓｅｌｂａｒｔｈ、「Ｒｅｓｏｎａｎｔｃａｖｉｔｉｅｓａｎｄｍｅｔｈｏｄｏｆｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇｓｕｃｈｃａｖｉｔｉｅｓ」ＷＯ２００８／０３６１７８Ａ１、ＪａｎＨｅｓｓｅｌｂａｒｔｈ、「Ｒｅ−ｅｎｔｒａｎｔｒｅｓｏｎａｎｔｃａｖｉｔｉｅｓ、ｆｉｌｔｅｒｓｉｎｃｌｕｄｉｎｇｓｕｃｈｃａｖｉｔｉｅｓａｎｄｍｅｔｈｏｄｏｆｍａｎｕｆａｃｔｕｒｅ」

ＪａｎＨｅｓｓｅｌｂａｒｔｈ、「Ｓｕｒｆａｃｅ−ｍｏｕｎｔｃａｖｉｔｙｆｉｌｔｅｒｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ」、Ｐｒｏｃ．ＥｕｒｏｐｅａｎＭｉｃｒｏｗａｖｅＣｏｎｆｅｒｅｎｃｅ２００７、４４２〜４４５ページ、２００７年、１０月

ＰＣＢに取り付けられた３Ｄ共振空洞にマイクロ波信号を供給し、かつ３Ｄ共振空洞からマイクロ波信号を供給するためのカップリング機構の設計における主要な課題は、そうした構成における主要な比較優位性（完全にプリントされＰＣＢに埋め込まれた回路網を介して相互接続された高いＱ係数の共振器）を維持し、空洞共振に対する広範囲の結合係数およびある同調性を提供する低損失カップリング機構の所望の機能性を実現することである。

本発明の目的は、上記の図１と同様の、ＰＣＢに取り付けられた３Ｄ共振空洞にマイクロ波信号を供給するためのカップリング機構を提供することであるが、このカップリング機構は、高品質のフィルタリングをもたらす製作しやすい機構を実現する。

本発明の特徴をなす実施形態によると、この目的は、前記伝送線路の端部が、前記共振空洞内部の前記ＰＣＢの外部層に、金属被膜された給電パッドを設けるという事により達成される。

このようにして、金属被膜された給電パッドのサイズおよび位置によって、カップリング機構を画定し調節することが可能となり、再現性のある特性を有する高品質のフィルタリングを提供することが可能となる。

本発明の別の特徴をなす実施形態は、前記共振空洞が、前記ＰＣＢに直交し、容量性ギャップによって前記ＰＣＢから分離されるリエントラント型内部スタブを備えており、前記金属被膜された給電パッドが、前記容量性ギャップの領域において前記内部スタブに面し、前記内部スタブの軸方向からオフセットされていることである。

提案されるフィルタ技術は、知られている従来技術のフィルタ技術と比較して相当に改善された性能を示す。本技術は、製造誤差に対してより堅固であり、その結果得られるＲＦフィルタの動作は、著しく低減された挿入損失を伴う（３Ｄ共振空洞の高いＱ係数値を維持するのがより容易となる）。

また、本発明の別の特徴をなす実施形態は、前記共振空洞が前記ＰＣＢの金属被膜された外部表面上に取り付けられ、前記金属被膜された給電パッドが、表面の容量性ギャップによって前記金属被膜された外部表面から分離されていることである。

リエントラント型内部スタブの軸方向に対してオフセットされている金属被膜された給電パッドの相対的位置によって形成される容量性ギャップ、およびＰＣＢの金属被膜された外部表面から金属被膜された給電パッドを分離する表面の容量性ギャップが、カップリング機構の特性を定義する。

本発明の好ましい特徴をなす実施形態において、前記金属被膜された給電パッドは、前記表面の容量性ギャップによって囲まれるディスク形状を有し、その中心が、前記内部スタブの軸方向からオフセットされている。

金属被膜された給電パッドは、ほとんどどのような形状を有してもよいが、ディスク形態が最適な結果に結びつくことがわかった。

本発明の異なる実施形態において、前記ＰＣＢは、入力端部が入力金属被膜給電パッドを備える入力埋め込み伝送線路、および出力端部が出力金属被膜給電パッドを備える出力埋め込み伝送線路を備え、前記入力および出力金属被膜給電パッドが、前記共振空洞内部の前記ＰＣＢの外部層に設置され、電気的な壁によって分離されている。

提案されるフィルタ技術は、小容積特性および高度の一体化（ＲＦフロントエンドの他の構成部品に一体化されたフィルタ）とともに、高品質のフィルタリング性能および比較的高出力の取り扱い能力を必要とする用途（現代のＢＴＳ／ｎｏｄｅＢ／ｅ−ｎｏｄｅＢ／などのＲＦフロントエンド）に対して最適な解決策を提供する。その低コストで、完全に自動化された製作プロセス（完全にプリントされたＰＣＢ／はんだ付けされ、上部に取り付けられ、金属メッキされたプラスチックの空洞）とともに、これらの特徴により、本カップリング機構が、将来のＰＣＢに取り付けられるマイクロ波リエントラント型共振空洞にとって非常に有望な技術となる。

本カップリング機構のさらなる特徴をなす実施形態は、添付の特許請求の範囲において言及される。

特許請求の範囲で使用される「備える」または「含む」という用語は、その後に列挙される手段に限定されると解釈されるべきでないことに留意されたい。したがって、「手段ＡおよびＢを備える機器」などの表現の範囲は、手段ＡおよびＢのみから構成される機器の実施形態に限定されるべきではない。それは、本発明の実施形態に関して、ＡおよびＢが機器の本質的な手段であることを意味する。

同様に、特許請求の範囲において使用される、「結合される」という用語も、直接的な接続だけに限定されると解釈されるべきでないことに留意されたい。したがって、「機器Ｂに結合される機器Ａ」などの表現の範囲は、機器Ａの出力が機器Ｂの入力に直接接続される機器の実施形態に限定されるべきではない。それは、Ａの出力とＢの入力の間に経路が存在してよく、その経路が他の機器または手段を含んでよいことを意味する。

本発明の上記および他の目的ならびに特徴は、添付図面と併せて得られる実施形態の以下の説明を参照することによってより明白になり、発明そのものが、最もよく理解されるであろう。

ＰＣＢ上に取り付けられた３Ｄリエントラント型（同軸）共振器によって形成された古典的な共振空洞を示す図である。アドミタンス・インバータを用いる図１の共振空洞のフィルタ合成モデルを表わす図である。従来技術で知られている別のＰＣＢ取り付け共振空洞を示す図である。本発明の実施形態による、ＰＣＢに埋め込まれた導波路（ストリップライン）から単一のＰＣＢ取り付け共振空洞に信号を結合するために用いられるカップリング機構を示す図である。取り付けられた３Ｄ共振空洞の位置に関して、ＰＣＢの外部表面のレベルにおける図４のカップリング機構の上面図である。図４および５のカップリング機構の等価回路を表わす図である。本発明の別の実施形態によるＰＣＢに埋め込まれた導波路（ストリップライン）から単一の共振空洞に、および逆方向に信号を結合するために用いられるカップリング機構を示す図である。本発明の別の実施形態による、ＰＣＢに埋め込まれた導波路（ストリップライン）から１対の誘導結合された共振空洞に、および逆方向に信号を結合するために使用されるカップリング機構を示す図である。図８の構成によるフィルタ合成モデルを表わすである。ＰＣＢに埋め込まれた導波路（ストリップライン）から３Ｄ共振空洞に、および逆方向にマイクロ波信号を結合するための本発明の実施形態によるカップリング機構を用いる、４極のチェビシェフ・フィルタの３Ｄモデルを示す図である。図１０の３Ｄモデルにおいて用いられる１対の誘導結合された共振空洞の底面図である。１対の誘導結合された共振空洞に沿った図１０の３Ｄモデルの断面図である。ＰＣＢに埋め込まれたストリップライン（１３１）から誘導結合された１対の共振空洞へのマイクロ波信号のカップリング機構を示す図である。図１０の４極のフィルタをシミュレーションした応答を表わす図である。

本発明の要件すべて満たすカップリング機構の実施形態が、図４および図５に示される。

プリント回路基板ＰＣＢに取り付けられたマイクロ波のリエントラント型共振空洞の断面図が図４に示され、図５は、取り付けられた３Ｄ共振空洞の位置に関して、ＰＣＢの外部表面のレベルにおけるカップリング機構の上面図を示す。

ＰＣＢ上に取り付けられた従来のマイクロ波のリエントラント型（同軸）共振器と同様に、本共振器の３Ｄ部分は、ＰＣＢの金属被膜された外部表面上にはんだ付けされている。共振器の３Ｄ部分、および３Ｄ構成部品によって境界を定められたＰＣＢの外部表面の両方が、共振空洞６０を形成している。共振器の３Ｄ部分は、外部壁、内部リエントラント型スタブまたはロッド６４から構成され、円柱状または矩形形状（同軸構成の）のいずれかであってよい。この部分は、金属塊を機械成型するか鋳造するかのいずれかよって、または主に重量低減のため金属メッキされたプラスチックの３Ｄ形態によって形成することができる。

リエントラント型内部ロッド６４は、一方の端部が外部壁に固定され、他方の端部がＰＣＢに面した状態で、ＰＣＢと直交し、容量性ギャップ６６によって分離されている。

共振する、空気で満たされた共振空洞６０の電磁的性質は、実効的な同軸構成（すなわち、内部ロッド６４の、長さおよび空洞の外壁からの距離）および内部ロッド６４と共振空洞の一部を構成するＰＣＢの金属被膜された外部表面との間に形成された容量性ギャップ６６の正確な寸法に依存する。

マイクロ波信号は、接地面として、３Ｄ空洞が取り付けられるＰＣＢの金属被膜された外部表面を用いる埋め込まれた導波路／伝送線路６１を通して共振器に導かれると考えられる。この線路は、例えばマイクロストリップまたはストリップライン技術のいずれかで実現することができる。マイクロ波信号は、給電伝送線路の端部に達すると、垂直のバイア・ポスト（またはバイア・ポストのアレイ）６２を介して、空洞の内部で、３Ｄ共振器が取り付けられたＰＣＢの外部層に設置される金属被膜された給電パッド６３に導かれる。

図５において、この金属被膜された給電パッド７１の上面図が、ＰＣＢ７３の外部表面に取り付けられた共振空洞の同軸構成７２の位置に関して、明瞭に示されている。給電パッド７１とＰＣＢの外部表面７３との間に、電気的導通がないことを考えると、変位電流がそれらの間に形成された表面の容量性ギャップ７４を横切ってサポートされることになる。

金属被膜された給電パッド６３／７１は、表面の容量性ギャップ７４によって囲まれ、中心が内部リエントラント型スタブ／ロッド６４の軸方向からオフセットされているディスク形状を有することが好ましい。

これは、図４に示したように、金属被膜された給電パッドのまわりのＰＣＢの外部表面の部分が、共振空洞の一部を構成するので、共振空洞へ給電マイクロ波信号を電磁結合する第１の機構である。

このカップリングの電磁的性質（すなわち、大きさ）は、パッドの半径および表面の容量性ギャップ７４の幅に依存する。これらの両方の外形は、共振空洞の３Ｄ部分に関係なく、ＰＣＢを設計するときに調節されることができ、特定のフィルタリング伝達関数および対応するＰＣＢのレイアウトを合成する際の重要な設計パラメータを構成する。

金属被膜された給電パッド６３／７１と共振空洞の間の電磁結合の第２の機構は、３Ｄの同軸構成の内部スタブ６４と給電パッドそのものとの間にサポートされるキャパシタンスである。

図５に示されるように、給電パッドおよび共振器の内部スタブは、給電パッドの半径、および共振器の３Ｄ部分の同軸構成の中心に対する給電パッドの位置（オフセットされた）に依存する表面７５上でオーバラップする。これらの２つのパラメータは、フィルタ合成およびＰＣＢレイアウトの設計中に適切に設定されるべき、別の２つの主要な設計パラメータを構成する。この第２のカップリング機構の重要性は、給電パッドと共振空洞の間の電磁結合の提供とは別に、このカップリング機構が、ＰＣＢの設計／レイアウトによって共振空洞の共振をわずかに調節し、調整する手段を提供するという事実に起因する。

具体的には、給電パッドの導入で、元々は、共振する空洞の全キャパシタンスおよびその共振振動数の推定に重要な役割を果たした、３Ｄ空洞が取り付けられるＰＣＢの外部層と同軸構成の内部スタブとの間でサポートされる全キャパシタンスが２つの成分に分割される。第１は、給電パッドと空洞の３Ｄ部分の内部スタブとの間にサポートされるキャパシタンスであり、第２は、空洞の３Ｄ部分の内部スタブに重なる給電パッド周囲のＰＣＢ外部表面によってサポートされる表面キャパシタンスである。これら２つのキャパシタンス間の比は、給電パッド表面と同軸構成の内部ロッドに重なるＰＣＢ外部表面との比に等しくなるはずあり、したがって、給電パッドの位置の調節により調節することができる。これら２つのキャパシタンスの合計は、給電パッドがない場合の全キャパシタンスとほぼ等しいはずであるが、給電パッドがある場合、給電パッドと同軸構成の内部スタブとの間のキャパシタンスは、共振空洞の容量特性および共振振動数に影響を及ぼさない。

したがって、このキャパシタンスを変更する（増加する／減少する）ことによって、共振空洞の全キャパシタンスを逆方向に変更する（減少させる／増加させる）ことができる。この手段によって、共振空洞の実効的な共振振動数は、ＰＣＢ外部表面のレイアウトの設計によって調節することができる。

提案されたカップリング機構の主要な特性を概略的に表わすために、図４と同様の構成の等価回路が図６に示される。この等価回路において、共振空洞は、３Ｄの同軸構成に起因するインダクタンスＬ_ｃｏａｘおよびキャパシタンスＣ_ｃｏａｘからなるシャントＬＣ回路と、同軸構成の内部スタブと３Ｄ空洞が取り付けられたＰＣＢ表面との間にサポートされたキャパシタンスに起因し、共振空洞の一部を構成するキャパシタンスＣ_ｇａｐとによって表される。

給電パッドがない場合は、このキャパシタンスは、ギャップの幾何学的な特性にもっぱら依存し（ギャップ幅ｄおよびキャパシタンスがサポートされる合計面積Ｓにより、Ｃ_ｇａｐ＝ε_０Ｓ／ｄである）、直接、同軸共振器の負荷となる（図６の表記によるとＣ_ｏ＝Ｃ_ｇａｐ）。

給電パッドが存在する場合は、このキャパシタンスは２つの成分に分割される。そのうちの１つは、共振器の内部スタブと接地面との間でサポートされ、上記と同様に同軸共振器の負荷となり、その第２は、共振器の内部スタブと給電パッドとの間でサポートされ、共振器に直列に接続されるカップリング・キャパシタンスに相当する。これらの２つのキャパシタンス間の比は、給電ディスクとオーバラップする内部スタブ面積の割合によって定義される。したがって、オーバラップする比率がｋであると考えられる場合、Ｃ_ｏ＝（１−ｋ）Ｃ_ｇａｐ、およびＣ_ｓｅｒ＝ｋＣ_ｇａｐである。最後に、給電ディスクと、共振空洞の一部を構成するＰＣＢの外部表面との間のカップリング・キャパシタンスは、共振器と並列であると考えることができる（図６のＣ_ｓｈ）。

従来のフィルタ構成において、電磁信号は、図１に示されるように、フィルタを構成する各共振器へと導かれ、さらに各共振器から導かれなければならない。したがって、前述の記載において示したものと同様の２つのカップリング機構が、空洞のそれぞれの内部で実現されることが必要である。このことが図７に示され、入力伝送線路８１が、カップリング機構８２によって信号を空洞内の金属被膜された入力給電パッドへと導き、カップリング機構８３が、信号を空洞内の金属被膜された出力給電パッドから出力伝送線路８４へと結合する。

図７の構成は、マイクロ波フィルタの一部としての空洞共振器の動作に影響を及ぼすか、劣化させるか、または制限する可能性のあるいくつかの現象を生じる傾向がある。サイズが小型であるため、カップリング機構８２および８３は、互いに近接して設置される。

このことは、結果として共振空洞そのもの、または空洞が取り付けられている基板のいずれかを介して、カップリング機構８２、８３間のある直接的な結合を生じさせ、共振器の電磁性能を劣化させる可能性がある。

たとえカップリング機構８２、８３間に挿入される電気的な壁８５（この壁は密接に配置された銅バイアを使用して実現することができる）を使用して基板を介する直接的な結合のケースに対処できるとしても、共振空洞による２つのカップリング機構間の直接的な電磁結合を回避するためになされるべきことは非常に少ない。実際、この問題の単純な解決策は、カップリング機構８２、８３を互いから可能な限り遠くしておくことであろう。

それにもかかわらず、この手法は、結合ディスクのそれぞれと共振器の内部スタブとの間のオーバラップする面積（図５における７５）を低減させ、したがってこれらの機構のそれぞれによって実現される全体の達成可能な結合係数を低減させるであろう。したがって、図７と同様の構成は、ＰＣＢ上に取り付けられた空洞共振器から構成されるフィルタの好ましい実施形態ではない可能性がある。

そうしたフィルタの好ましい代替の実施形態が、図８に示される。この実施形態に照らすと、ＰＣＢ取り付け共振空洞フィルタの設計に対するモジュール素子は、図８に示されるものと同様の誘導結合された３Ｄ共振同軸空洞の対であると考えられる。この手法では、１つのブロック９１内に３Ｄ同軸共振器の任意の２つが構築されなければならない。入力共振空洞を出力共振空洞から分離する共通の電気的な壁９５上の絞り開口窓９２が、同じブロック上に構築された２つの空洞間の電磁結合を確実にする。この対の入力／出力共振空洞は、ＰＣＢに直交し、入力／出力容量性ギャップによってそれぞれ分離された、別個の入力／出力内部スタブを備えている。さらに、金属被膜された入力給電パッドは、この対の入力共振空洞において実現され、金属被膜された出力給電パッドは、この対の出力共振空洞において実現される。金属被膜された入力給電パッドは、入力容量性ギャップの領域における入力内部スタブの端部面に面しており、この入力内部スタブの軸方向からオフセットされ、金属被膜された出力給電パッドは、容量性ギャップの領域における出力内部スタブ出力の端部面に面しており、この出力内部スタブの軸方向からオフセットされている。

結合窓９２の正確な寸法は、対応する電磁結合の大きさを決定する。

図８のものと同様の構成の利点は、入力カップリング機構９３によってＰＣＢから入力空洞にマイクロ波信号を供給し、次に、出力カップリング機構９４によって出力空洞からＰＣＢにフィルタされた信号を結合することがこの構成によって可能になるということである。

そのように、２つのＰＣＢ空洞カップリング機構は、２つの異なる空洞において実現され、したがって、カップリング機構間には著しい寄生の直接結合（空洞を介する）は存在しない。

さらに、２つのカップリング機構のそれぞれに関連する設計パラメータ（すなわち、給電ディスク径、給電ディスクの位置など）は、いかなる主要な制約事項（すなわち、２つのカップリング機構のサイズ、相対的位置）も満足する必要がなく、フィルタ設計手順の要求事項に従って自由に選ばれる。

図８の構成がフィルタリング装置の合成に対して用いられる場合、フィルタの機能は、図９のモデルに従って合成されるべきである。このモデルにおいて、フィルタの第１の共振器への入力結合およびフィルタの最後の共振器からの出力結合は、伝送線路をベースとしたアドミタンス・インバータ（Ｊ_０１およびＪ_ＮＮ＋１）によって実現され、共振器間のカップリングは、電磁結合絞り（Ｍ_ｉｊ）および伝送線路をベースとしたインピーダンス・インバータ（Ｊ_ｉｊ）を使用して、相互交換可能に実現される。

本発明において提案されたカップリング機構によって励起され、相互接続される３Ｄリエントラント型（同軸）共振器を用いる、ＰＣＢ取り付けフィルタの設計可能性を検証するために、４次のチェビシェフ・フィルタを設計し、模擬実験を行った。このフィルタに対する目標の動作帯域は、ＷＣＤＭＡのエアー・インターフェースのダウンリンクＴｘ帯域（２１１０ＭＨｚ〜２１７０ＭＨｚ）であった。

このフィルタの模擬実験のために用いられたモデルが、図１０に示される。このフィルタの実現に対して、図８の構成が用いられた。具体的には、４次のフィルタの４つの共振器が、２対の誘導結合された共振器において構築された。次に、これらの２対は、ＰＣＢ上に実現されたアドミタンス・インバータによって相互接続され、フィルタ機能が、図９のモデルに従って合成された。

図１０の３Ｄモデルを参照して、２対の誘導結合された空洞は２つの金属塊１００に機械成型される。これらの塊は、上側と下側の両方が金属メッキされたＰＣＢ１０１の上部表面にはんだ付けされることが考えられる。ＰＣＢの内部で、ストリップラインが、相互接続するアドミタンス・インバータを合成するために用いられる。さらに、銅のバイア１０２がＰＣＢ内に埋め込まれ、ＰＣＢの両側（用いられるストリップラインの接地面）を短絡し、カップリング機構間の電磁分離を強化して、ストリップラインの動作に関連する寄生効果を低減する。

金属塊に機械成型を施されたリエントラント型共振器（図１０における１００）の誘導結合された２対のそれぞれの底面図が、図１１に示される。この実施形態において、２つの共振空洞１１０は、円柱状の内部ロッド１１１および矩形形の外部壁１１２から構成される。一般的なケースでは、内部接触器および外部接触器の形状は、同様の同軸構成をサポートするものであればいずれであってもよい。最後に、２つの空洞は、２つの空洞を分離する壁から材料を取り除くことによって形成される絞り１１３によって結合される。

図１２において、１対の誘導結合された空洞に沿った３Ｄフィルタ・モデルの断面が示されている。図示されるように、信号は、空洞に露出するＰＣＢに埋め込まれたストリップライン１２３によって、対の空洞に導かれ、かつ対の空洞から導き出される。前述のストリップラインは、上部および下部接地面としての金属表面１２１および１２２を使用し、表面１２１は、共振空洞の３Ｄ部分を取り付けるためにも使用される。これらのストリップラインは、銅のバイア１２４を使用して、ＰＣＢの上部の接地面層１２１の給電ディスクと接続される。

バイアおよび給電ディスクによって、ストリップラインから共振空洞に信号を結合する機構のよりよい表現が、図１３に示される。具体的には、図１３において、入力／出力ストリップライン１３１は、ストリップラインに対する上部の接地面として動作することとは別に、３Ｄ共振空洞を取り付けるためにも使用される金属表面１３０上に形成された結合ディスク１３２にＲＦ信号を供給する。

最後に、図１０の４極のチェビシェフ・フィルタの全波模擬実験を行った応答が、図１４に示され、この図は、対象とするＧＨｚの周波数帯（水平軸）に対して前述のフィルタ構成のＳパラメータをｄＢ（垂直軸）で表わす。これらの結果により、低挿入損失が、フィルタ（＜０．６ｄＢ）の通過帯域にわたって達成され、またＷＣＤＭＡエアー・インターフェースのダウンリンクＲｘ帯域に対して５０ｄＢを上回る分離が達成されている。

単一のまたは２つの空洞だけでなく、より一般的に任意の多数の空洞から構成される構造との間で信号を結合するために本カップリング機構を使用することができることに留意されたい。この目的のために、一般的なカップリング機構は、ＰＣＢ上に取り付けられたいくつかの共振空洞を備え、このＰＣＢが同じ数の埋め込まれた伝送線路を備え、各伝送線路が、これら共振空洞のうちの別個の共振空洞の内部に設置された金属被膜された給電パッドを備える端部を有する。各共振空洞は、ＰＣＢに直交し、容量性ギャップによって分離された内部スタブを備える。各金属被膜された給電パッドは、容量性ギャップの領域において対応する内部スタブの端部面に面しており、対応する内部スタブの軸方向からオフセットされている。金属被膜された給電パッドは、電気的な壁によってさらに分離される。

最後に、本発明の実施形態が機能ブロックの面から上記で説明されているということを特記する。上記で示されたこれらのブロックの機能説明から、これらのブロックの実施形態が、よく知られた電子部品でどのように製造することができるかは、電子デバイスを設計する当業者にとっては明白であろう。したがって、機能ブロックの内容の詳細なアーキテクチャは示されていない。

本発明の原理が、具体的な装置に関して上記で説明されているが、この説明は、単に例示によるものであり、添付の特許請求の範囲で定義されている本発明の範囲を限定するものではないことを明確に理解されたい。

Claims

マイクロ波信号を、プリント回路板ＰＣＢ（６７）に埋め込まれている伝送線路（６１）から前記ＰＣＢ上に取り付けられた共振空洞（６０）へ結合するカップリング機構であって、
前記伝送線路（６１）の端部が前記共振空洞（６０）内部の前記ＰＣＢ（６７）の外部層に設置される金属被膜された給電パッド（６３）を備えていることを特徴とするカップリング機構。
前記共振空洞（６０）が、前記ＰＣＢに直交し、容量性ギャップ（６６）によって前記ＰＣＢから分離されたリエントラント型内部スタブ（６４）を備え、
前記金属被膜された給電パッド（６３）が、前記容量性ギャップの領域の前記内部スタブに面し、前記内部スタブ（６４）の軸方向からオフセットされていることを特徴とする、請求項１に記載のカップリング機構。
前記共振空洞（６０）が、前記ＰＣＢ（６７）の金属被膜された外部表面（７３）上に取り付けられ、
前記金属被膜された給電パッド（６３、７１）が、表面の容量性ギャップ（７４）によって前記金属被膜された外部表面から分離されていることを特徴とする、請求項１に記載のカップリング機構。
前記金属被膜された給電パッド（６３、７１）が、前記表面の容量性ギャップ（７４）によって囲まれるディスク形状を有し、その中心が、前記内部スタブ（６４）の軸方向からオフセットされていることを特徴とする、請求項２および３に記載のカップリング機構。
前記伝送線路（６１）の端部が、少なくとも１つのバイア・ポスト（６２）を介して前記金属被膜された給電パッド（６３）に結合されていることを特徴とする、請求項１に記載のカップリング機構。
前記ＰＣＢ（７３）に埋め込まれている前記伝送線路（６１）が、マイクロストリップまたはストリップライン技術で実現される導波路であることを特徴とする、請求項１に記載のカップリング機構。
前記ＰＣＢが、入力端部が金属被膜された入力給電パッドを備える埋め込まれた入力伝送線路（８１）、および出力端部が金属被膜された出力給電パッドを備える埋め込まれた出力伝送線路（８４）を備え、
前記金属被膜された入力給電パッドおよび出力給電パッドが、前記共振空洞内部の前記ＰＣＢの外部層に設置され、電気的な壁（８５）によって分離されていることを特徴とする、請求項１に記載のカップリング機構。
前記共振空洞が、容量性ギャップによって前記ＰＣＢから分離されている、前記ＰＣＢに直交するリエントラント型内部スタブを備え、
前記金属被膜された入力給電パッドおよび出力給電パッドの両方が、前記容量性ギャップの領域の前記内部スタブの端部面に面し、それぞれが前記内部スタブの軸方向からオフセットされていることを特徴とする、請求項７に記載のカップリング機構。
前記電気的な壁（８５）が、前記ＰＣＢにおいて密接に配置された銅のバイアによって実現されることを特徴とする、請求項７に記載のカップリング機構。
前記ＰＣＢ上に取り付けられた前記共振空洞が、同じブロック（９１）内に構築された１対の誘導結合された３Ｄ共振空洞によって構成され、
前記１対の入力共振空洞が、前記ＰＣＢに直交し、入力容量性ギャップによって前記ＰＣＢから分離される入力内部スタブを備え、前記１対の出力共振空洞が、前記ＰＣＢに直交し、出力容量性ギャップによって前記ＰＣＢから分離される出力内部スタブを備え、
前記入力および出力共振空洞が、共通の電気的な壁（９５）によって分離され、
絞り開口窓（９２）が前記１対の前記入力と出力の共振空洞間に設けられ、
前記金属被膜された入力給電パッドが、前記１対の前記入力共振空洞内で実現され、前記金属被膜された出力給電パッドが、前記１対の前記出力共振空洞内で実現されることを特徴とする、請求項７に記載のカップリング機構。
前記金属被膜された入力給電パッドが、前記入力容量性ギャップの領域の前記入力内部スタブの端部面に面し、前記入力内部スタブの軸方向からオフセットされており、前記金属被膜された出力給電パッドが、前記出力容量性ギャップの領域の前記出力内部スタブの端部面に面し、前記出力内部スタブの軸方向からオフセットされていることを特徴とする、請求項１０に記載のカップリング機構。
前記カップリング機構が、前記ＰＣＢ上に取り付けられた複数の共振空洞を備え、
前記ＰＣＢが、複数の埋め込まれた伝送線路を備え、各線路が、前記複数の共振空洞のうち別個の共振空洞内部に設置される金属被膜された給電パッドを備える端部を有し、
前記共振空洞のそれぞれが、前記ＰＣＢに直交し、容量性ギャップによって前記ＰＣＢから分離される内部スタブを備え、
前記金属被膜された給電パッドのそれぞれが、前記容量性ギャップの領域の対応する内部スタブの端部面に面し、前記対応する内部スタブの軸方向からオフセットされ、
前記金属被膜された給電パッドが、電気的な壁によって分離されていることを特徴とする、請求項１に記載のカップリング機構。