JP3551899B2 - 共振器、フィルタ、デュプレクサおよび通信装置 - Google Patents
共振器、フィルタ、デュプレクサおよび通信装置 Download PDFInfo
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、無線通信や電磁波の送受信に利用される、たとえばマイクロ波帯やミリ波帯における共振器、フィルタ、デュプレクサおよび通信装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
マイクロ波帯やミリ波帯で用いられる、小型化可能な共振器として、特開平２−９６４０２号公報にスパイラル共振器が示されている。このスパイラル共振器は、共振器線路をスパイラル形状とすることによって、同一占有面積内に長い共振線路を構成して、全体に小型化を図ったものである。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上記従来の共振器は、１つの半波長線路にて１つの共振器を構成したものであった。したがって、従来の共振器は電気エネルギーが集中して蓄積される領域と磁気エネルギーが集中して蓄積される領域とがそれぞれ誘電体基板の特定の領域に分離されて偏在する。具体的には、半波長線路の開放端部近傍に電気エネルギーが蓄積され、半波長線路の中央部近傍に磁気エネルギーが蓄積される。
【０００４】
このような、１つのマイクロストリップ線路により構成される共振器では、マイクロストリップ線路が本質的に持つ縁端効果による特性劣化を免れないという難点があった。すなわち線路の断面を見た場合に、線路の縁端部（幅方向の両端、および厚み方向の上端・下端）に電流が集中する。仮に、線路の膜厚を厚くしても、電流集中の生じる縁端部が広がる訳ではないため、縁端効果による電力損失の問題は必ず生じる。
【０００５】
この発明の目的は、縁端効果による電力損失を極めて効果的に抑え、しかも全体に、より小型化できるようにした共振器、フィルタ、デュプレクサ、およびそれらを備えた通信装置を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、この発明に係る共振器は、それぞれが複数の線路の集合体であって、該複数の線路の両端を、前記基板上の所定点の周囲で前記集合体の実質的な内周上と外周上とにそれぞれ分布させて、前記複数の線路を互いに交差しないように配置した複数の線路パターンを備え、それらの線路パターンを互いに絶縁状態に配置するとともに、少なくとも１つの線路パターンのそれぞれの線路をスパイラル状とし、他の線路パターンのそれぞれの線路を前記線路パターンのそれぞれの線路とは異なった形状とする。
【０００８】
上記複数のスパイラル状の導体パターンによって、ある１つのスパイラル状の線路に隣接して略同形状のスパイラル状の線路が存在することになる。したがって、ミクロでみた物理的な端部は実際に存在し、それぞれの線路の端部に弱い縁端効果が生じるが、これらの複数の線路の集合体を１つの線路としてマクロでみた時、いわば或る線路の例えば右隣りに自分と合同の線路の左側の縁端部が隣接することになり、線路の幅方向の端部というものがなくなる。すなわち端部の存在が希薄となる。この作用を利用して、線路の縁端部における電流集中を極めて効率的に緩和し、全体の電力損失を抑制する。
【０００９】
さらに、それぞれの線路がスパイラル状を成す線路パターンに対して他の線路パターンを近接させることにより、上記スパイラル状の線路による線路パターンに静電容量を等価的に付加して、共振周波数の低減効果を生じさせ、予めスパイラル状の線路長を短く設定して全体の小型化を図る。また同一直径で線路パターンを形成する際の線数を多くして、このことにより損失低減効果をさらに高める。
【００１０】
上記複数の線路パターンのうち少なくとも１つの線路パターンは、例えば放射状のパターンとする。
【００１１】
また、上記複数の線路パターンのうち少なくとも２つは、それぞれがスパイラル状をなす複数の線路の集合体とし、且つスパイラルの旋回方向を互いに逆の関係とする。これにより、共振による磁界エネルギを効率的に保持させて共振器のＱを高める。
【００１２】
また、上記複数の線路パターンのうち少なくとも１つの線路パターンは、共振状態で略等電位となる部分同士を互いに導通させる。これにより、スプリアス共振モードを効果的に抑圧する。
【００１３】
また、上記線路パターンの線路を超伝導体で構成する。これにより、共振器のＱを高めるとともに、超伝導体の低損失特性を十分に発揮させ、臨界電流密度以下のレベルで高いＱで動作させる。
【００１４】
また、線路パターンのそれぞれの線路幅を、使用周波数における線路導体の表皮深さ程度または表皮深さより細くする。これにより線路の左右の間隙を通り抜ける磁束を保持するために流れる電流が左右で干渉する距離となるようにして、共振位相からずれた位相を持つ無効電流を抑える。これにより電力損失を飛躍的に低減させる。
【００１５】
この発明に係るフィルタは、上記のいずれかの構成を備えた共振器に結合する信号入出力部を設けて構成する。また、この発明に係るデュプレクサは、上記フィルタを送信フィルタもしくは受信フィルタとして、またはその両方のフィルタとして設けて構成する。これにより、挿入損失を低減するとともに全体の小型化を図る。
【００１６】
この発明の通信装置は、上記フィルタまたはデュプレクサを用いて構成する。これにより高周波送受信部の挿入損失を低減して、雑音特性、伝送速度などの通信品質を向上させるとともに、全体の小型化を図る。
【００１７】
【発明の実施の形態】
まず、この発明の共振器の原理について図１〜図４を参照して説明する。
図１の（Ｂ）は共振器の構成を示す上面図、（Ｃ）は断面図、（Ｄ）は部分拡大断面図である。誘電体基板１の下面には全面のグランド電極３を形成していて、上面にはそれぞれ合同である、両端開放のスパイラル状の８本の線路２を、互いに交差しないように、それぞれの線路の一端と他端を基板上の所定点（中心点）の周囲に配置している。（Ａ）はそれらの８本の線路のうち１つの線路を代表的に示している。これらの線路の幅は表皮深さに略等しい幅としている。以下、このようなスパイラル状線路の集合体を「多重スパイラル線路」と言う。
【００１８】
図２は図１に示した８本の線路の形状を極座標のパラメータを用いて示したものである。この例では８本の線路のそれぞれの内周端の動径ｒ１および外周端の動径ｒ２は一定であり、それぞれの端部の角度方向の位置を等間隔に配置している。任意の動径における線路の左端の角がθ１、右端の角がθ２であるとき、１つの線路の角幅をΔθ＝θ２−θ１で表す。ここで線数ｎ＝８であるので、１つの線路の角幅ΔθをΔθ≦２π／８（＝π／４）ラジアンの関係とする。また、任意の動径ｒｋにおける線路集合体全体の角幅θｗを２πラジアン以内とする。
【００１９】
これらの線路は相互誘導および静電容量により結合する。これらの多重スパイラル線路と誘電体基板１を挟んで対向するグランド電極３とによって１つの共振器として作用する。（以下、この共振器を「多重スパイラル共振器」という。）
尚、上記ｒ１，ｒ２は必ずしも一定である必要はなく、また等角度に配置しなくてもよく、さらには各線路が合同である必要もない。但し、特性面および製造の容易性の面で、ｒ１，ｒ２を一定とし、合同の線路を等角度に配置する方が望ましい。
【００２０】
図３は、上記多重スパイラル線路における電磁界および電流の分布の例を示している。図３における上段は多重スパイラル線路の平面図であるが、個々の線路を分離せずに塗り潰して表している。同図の中段は線路の内周端と外周端におけるチャージが最大の瞬間における多重スパイラル線路のＡ−Ａ部分の断面での電界および磁界の分布を示している。また、下段はその瞬間における同断面での各線路の電流密度および線路の間隙を通る磁界のｚ成分（紙面に垂直な方向）の平均値をそれぞれ示している。
【００２１】
ここで各線路をミクロ的に見れば、図に示すようにそれぞれの縁端部において電流密度が大きくなるが、動径方向の横断面で見た時に、１つのスパイラル状線路の左右両側に一定の間隙をおいて同程度の振幅と位相を持った電流の流れる導体線路が配置されるため、縁端効果が緩和される。すなわち多重スパイラル線路を１つの線路と見た場合に、内周端と外周端が電流分布の節、中央が腹となるほぼ正弦波状に分布し、マクロ的には縁端効果が生じない。
【００２２】
図４は比較例であり、図３に示した各線路の線路幅を表皮深さの数倍の幅にまで広げた場合について示している。このように線路幅を広げると、図に示すように各導体の縁端効果による電流集中が顕在化し、損失低減効果は小さくなる。
【００２３】
次に、この発明の第１の実施形態である共振器の構成を図５および図６を参照して説明する。
図５の（Ａ）は共振器の上面図、（Ｂ）は中央縦断面図、（Ｃ），（Ｄ）は２つの線路パターンの平面図である。誘電体基板１の下面には全面のグランド電極３を形成していて、上面には複数のスパイラル状の線路パターン２１を形成している。（Ｃ）はその例であり、それぞれ合同である両端開放のスパイラル状の複数本の線路を互いに交差しないように、それぞれの線路の一端と他端を基板上の所定点（中心点）の周囲に回転対称状に配置している。
【００２４】
（Ｂ）において５は絶縁層であり、この上面に上記線路パターン２１とは異なった線路パターン２２を形成している。（Ｄ）はその例であり、それぞれ合同である両端開放の放射状の複数本の線路を、互いに交差しないように、それぞれの線路の一端と他端を上記所定点の周囲に配置している。上記線路パターン２１，２２のそれぞれの線路の幅は、使用する周波数帯で線路導体の表皮深さに略等しい幅としている。
【００２５】
上記線路パターン２１，２２の導体およびグランド電極３には、Ａｌ，Ｃｕ，Ｎｉ，Ａｇ，Ａｕなどの金属材料を用いる。また絶縁層５には、ＳｉＯ２ ，Ａｌ２ Ｏ３ ，ＢＣＢ（Ｂｅｎｚｏ Ｃｙｃｌｏ Ｂｕｔｅｎｅ）などの絶縁材料を用いる。
【００２６】
具体的には、誘電体基板１の表面に、保護膜としてＡｌ２ Ｏ３ を形成し、密着層としてＴｉの薄膜を形成し、その表面にメッキ膜を成長させるための種としてのＣｕを蒸着またはスパッタリングし、その表面にＣｕをメッキ成長させる。さらにその表面に拡散防止層としてＮｉ膜をメッキ形成し、最表面に信号入出力用のワイヤーをボンディングするためにＡｕのメッキ膜を形成する。このようにＡｌ２ Ｏ３ 膜の表面に金属薄膜を形成した状態でフォトリソグラフィにより、図５の（Ｃ）に示したような線路パターン２１を形成する。すなわちフォトレジスト膜塗布→乾燥・硬化→マスク露光→現像→ベーク→エッチングといった工程でパターニングする。
【００２７】
絶縁層５は、上記絶縁材料を蒸着またはスパッリングにより成膜し、その表面に上記線路パターン２１の場合と同様にして、線路パターン２２をパターニングする。
【００２８】
上記線路パターン２１，２２の導体およびグランド電極３には、高温超伝導体材料を用いてもよい。これにより、共振器のＱがさらに高まる。また、電流集中が少ない分、単位面積または単位体積当たりの電力密度を高めても、臨界電流密度以下のレベルで超伝導体の低損失特性が十分に活かせ、高いＱで動作させることができる。
【００２９】
図５に示した共振器は、多重スパイラル線路２１と誘電体基板１を挟んだグランド電極３との組み合わせにより、図１〜図４に示したように、多重スパイラル共振器として作用する。
【００３０】
図６は上記共振器の電磁界および電流密度の分布の例を示している。分布図の下段は、共振器のＡ−Ａ′部分の断面での電界および磁界の分布を示している。またその上段は、同断面での瞬間における各線路の電流密度を示している。
【００３１】
この多重スパイラル共振器は、内周部が電位最大となる時、外周部は電位最小となる。また共振周期の半周期だけ経過した時刻でみると、この逆の電位関係となる。したがって、多重スパイラル線路の内周部と外周部を始点および終点とする放射状の線路パターン２２を近接配置すると、多重スパイラル共振器の内周部と外周部の電位差によって静電容量が付加されたように作用する。すなわち、多重スパイラル線路の内周部から外周部にかけて絶縁層５を介して放射状の線路パターン２２との間に静電容量が分布するため、多重スパイラル線路と放射状パターンの、内周部同士と、外周部同士の間に生じる電位差は、図６に示すように逆となる。
【００３２】
換言すると、線路パターン２１に対して絶縁状態に配置した線路パターン２２は、線路パターン２１による共振モードの電圧の節と電圧の腹との電位差またはその一部を利用して静電容量を付加させたように作用する。
【００３３】
なお、電流密度分布のピークが線路パターン２１の内周部と外周部の中央より外周部寄りにあるのは、線路長でみたときの中点（５０％の位置）が半径でみたときの７０％の位置となるためである。
【００３４】
この付加容量によって共振周波数が低下するので、その分、予め多重スパイラル線路の各線路長を短く設定しておけば、所定の共振周波数を得るための多重スパイラル共振器の直径が小さくできる。また、同じ外周部の直径とする場合には、多重スパイラル線路の線数を多くすることができ、それだけ損失低減効果が高まる。
【００３５】
次に、第２の実施形態に係る共振器の構成を図７を参照して説明する。
図７の（Ａ）は共振器の上面図、（Ｂ）は中央縦断面図、（Ｃ），（Ｄ）は２つの線路パターンの平面図である。誘電体基板１の下面には全面のグランド電極３を形成していて、上面には（Ｃ）に示すような複数のスパイラル状線路パターン２１により多重スパイラル線路を形成している。この線路パターン２１は図５に示したものと同様である。（Ｂ）において５は絶縁層であり、この上面に線路パターン２３を形成している。（Ｄ）はその例であり、複数の線路の両端を、線路パターン２１による多重スパイラル線路の中心点の周囲で実質的な内周上と外周上とにそれぞれ分布させて、前記複数の線路が互いに交差しないように、それぞれスパイラル状の線路を配置している。但し、それらの線路の旋回方向は線路パターン２１の各線路の旋回方向とは逆である。すなわち、スパイラル状線路パターン２１を裏返したようなパターンとしている。
なお、これらの線路パターン２１，２３のそれぞれの線路の幅は、使用する周波数帯で線路導体の表皮深さに略等しい幅としている。
【００３６】
このような構造により、所望の共振周波数における共振モードにおいて、線路パターン２１の内周部が電位最大となる時、外周部は電位最小となる。さらに、この時、もう一方の線路パターン２３の内周部は電位最小で、外周部は電位最大となる。すなわち、誘電体基板１を挟む線路パターン２１とグランド電極３とによる第１の多重スパイラル共振器と、同じく誘電体基板１を挟む線路パターン２３とグランド電極３とによる第２の多重スパイラル共振器との位相関係は逆相となる。なぜなら、線路パターン２１の内周部から外周部にかけて、絶縁層５を介して線路パターン２３との間に静電容量が分布するため、線路パターン２１と線路パターン２３の、内周部同士と、外周部同士の間に生じる電位差が逆になるからである。このことが多重スパイラル共振器に静電容量が付加されたことと等価となる。そのため第１の実施形態の場合と同様に、多重スパイラル共振器の直径を小さくでき、また同じ直径とする場合には線数を多くすることによって損失低減効果を高めることができる。
【００３７】
また、多重スパイラル状の線路パターン２１の各線路に流れる電流は、内周部が電位最大、外周部が電位最小であるとき、内周部から外周部に向かって左向きに流れ、もう１つの多重スパイラル状の線路パターン２３の各線路に流れる電流は、このとき外周部が電位最大、内周部が電位最小であるので、外周部から内周部に向かって、同じく左向きに流れる。したがって、電流は同じ旋回方向を向いて流れることになり、磁界エネルギーが効率的に保持される。この結果、共振器のＱが高まる。
【００３８】
次に、第３の実施形態に係る共振器の構成を図８および図９を参照して説明する。
図８の（Ａ）はキャビティを除いた状態での共振器の上面図、（Ｂ）は共振器の中央縦断面図、（Ｃ），（Ｄ）は２つの線路パターンの平面図である。この例では、誘電体基板１の図における上面に多重スパイラル状の線路パターン２１を形成していて、同様に誘電体基板１の下面にもう１つの多重スパイラル状の線路パターン２３を形成している。線路パターン２１は（Ｃ）に示すように左旋の多重スパイラル状の線路パターンであり、第１の実施形態で示したものと同様である。（Ｄ）は誘電体基板１の上面からみた図であり、線路パターン２３は上面からみて右旋の多重スパイラル状の線路パターンとしている。したがって、誘電体基板１の下面側からみれば、この線路パターン２３は左旋の多重スパイラル線路とみえる。
【００３９】
なお、これらの線路パターン２１，２３のそれぞれの線路の幅は、使用する周波数帯で線路導体の表皮深さに略等しい幅としている。
【００４０】
図９は図８に示した共振器の電磁界および電流密度の分布の例を示している。分布図の下段は、共振器のＡ−Ａ′部分の断面での電界および磁界の分布を示している。また、その上段は、同断面での瞬間における各線路の電流密度を示している。
【００４１】
キャビティ４で囲まれた空間において線路パターン２１は１つの多重スパイラル共振器を構成する。同様に、キャビティ４による空間において、線路パターン２３はもう一つの多重スパイラル共振器を構成する。線路パターン２１による共振器の共振モードにおいて、内周部が電位最大となる時、外周部は電位最小となる。また共振周期の半周期だけ経過した時刻では、この逆の電位関係となる。したがって、この線路２１に、もう一つの多重スパイラル状の線路パターン２３を近接配置すると、多重スパイラル共振器の内周部と外周部の電位差によって静電容量が付加されたように作用する。すなわち、一方の線路パターン２１の内周部から外周部にかけて、誘電体基板１を介して他方の線路パターン２３との間に静電容量が分布するため、２つの線路パターンの間に生じる電位差は、図９に示すように内周部と外周部とで逆となる。このことが多重スパイラル共振器に静電容量が付加されたことと等価となる。
【００４２】
この付加容量によって共振周波数が低下するので、その分、予め多重スパイラル線路の各線路長を短く設定しておけば、所定の共振周波数を得るための多重スパイラル共振器の直径が小さくできる。また、同じ直径とする場合には、多重スパイラル線路の線数を多くすることができ、それだけ損失低減効果が高まる。
【００４３】
図１０は第４の実施形態に係る共振器の構成を示す図である。（Ａ）は上面図、（Ｂ）は中央縦断面図である。この例では、誘電体基板１の上面にそれぞれ多重スパイラル状の線路パターン２１ａ，２３ａ，２１ｂ，２３ｂを絶縁層５を介して順次積層形成している。この４つの線路パターンのうち、２１ａ，２１ｂは同図の（Ｃ）に示すように左旋の多重スパイラル線路としている。また２３ａ，２３ｂは同図の（Ｄ）に示すように右旋の多重スパイラル線路としている。この構造は、図７に示した２層の多重スパイラル線路を１組としたとき、これを２組設けたものに等しい。このような多層化により電界エネルギーの蓄積量がさらに増大し、磁界エネルギーを低損失に保持することができる。その結果、共振器のＱをさらに高めることができる。
【００４４】
図１１は第５の実施形態に係る共振器の構成を示す図である。（Ａ）はキャビティを除いた状態での上面図、（Ｂ）は共振器の中央縦断面図である。この例では、誘電体基板１ａの上面に、（Ｃ）に示すような多重スパイラル状の線路パターン２１ａを形成し、その下面にグランド電極３ａを略全面に形成している。また、もう１つの誘電体基板１ｂの図における下面に、（Ｄ）に示すような多重スパイラル状の線路パターン２１ｂを形成し、その上面にグランド電極３ｂを略全面に形成している。
【００４５】
この例では、線路パターン２１ａは左旋の多重スパイラル線路を構成し、線路パターン２１ｂは右旋の多重スパイラル線路を構成する。但し、図１１の（Ｄ）は誘電体基板１ｂの上面からみた図であり、誘電体基板１ｂの下面側から見れば（Ｃ）に示したものと同様に左旋の多重スパイラル線路とみえる。したがって、誘電体基板１ａによる共振器と誘電体基板１ｂによる共振器は全く同じものである。この２つの共振器を、多重スパイラル線路同士が空気層を介して近接するように配置しているため、図９に示したものと同様にその間隙部分に、主に間隙の幅方向（誘電体基板に垂直な方向）を向いた電界ベクトルが分布し、単一の誘電体基板を用いた場合に比べて静電容量が等価的に付加されたこととなる。これにより、多重スパイラル共振器の直径を小さくでき、同じ直径とする場合に、線数を多くすることによって損失低減効果を高めることができる。
【００４６】
図１２は第６の実施形態に係る共振器の構成を示す図である。（Ａ）はその上面図、（Ｂ）のその中央縦断面図である。この例では、誘電体基板１の内部に同図の（Ｄ）に示すような放射状の線路パターン２２を埋設していて、誘電体基板１の上面に同図の（Ｃ）に示すような多重スパイラル状の線路パターン２１を形成している。また下面には略全面のグランド電極３を形成している。線路パターン２２はセラミック多層基板の製造方法によって、基板内に埋設する。
【００４７】
このように下層に放射状の線路パターン２２を設け、上層に多重スパイラル状の線路パターン２１を配置しても、図５に示した共振器の場合と同様に、多重スパイラル共振器に静電容量が付加された構造となり、同様にして小型低損失な共振器が構成できる。
【００４８】
図１３はこれまでに示した各種形式の共振器における線路パターンの他のいくつかの例を示す図である。（Ａ）〜（Ｄ）はそれぞれ多重スパイラル状の線路パターンについての例であり、（Ａ）の例では、線路パターンの内周部を接続する円形の接続用電極８を形成している。また（Ｂ）に示す例では、その内周端にリング状の接続用電極８を形成している。（Ｃ）に示す例では、多重スパイラル状の線路パターンの内周端と外周端の間の等電位部分を互いに接続するリング状の接続用電極８を形成している。さらに（Ｄ）に示す例では、その外周端にリング状の接続用電極８を形成している。
【００４９】
このように、いずれの例でも多重スパイラル状線路の等電位部分を接続用電極８で接続することによって、用いるべき基本共振モード以外のスプリアスモードに対して、上記接続用電極８が非等電位部分同士を接続する電極として作用するので、そのスプリアスモードが効果的に抑圧される。
【００５０】
図１３の（Ｅ）〜（Ｈ）は放射状の線路パターンについての例であり、（Ｅ）では、放射状の線路パターンの内周端同士を接続する円形の接続用電極８を形成している。（Ｆ）に示す例では、その内周端にリング状の接続用電極８を形成している。（Ｇ）に示す例では、放射状線路パターンの内周端と外周端の間の等電位部分を互いに接続するリング状の接続用電極８を形成している。さらに（Ｈ）に示す例では、その外周端にリング状の接続用電極８を形成している。
【００５１】
この放射状線路パターンは共振器としては用いていないが、多重スパイラル共振器の電磁界の中で動作しているので、このように、多重スパイラル共振器に対して静電容量を付加させるように作用する放射状の線路パターンについても、その等電位部分同士を接続用電極８で接続することによって、放射状線路パターンの内周端と外周端の両端が開放された半波長共振モードを基本として、その他のスプリアスモードが抑制される。そのため、多重スパイラル線路に接続用電極を設けた場合と同様にスプリアス抑圧効果が得られる。
【００５２】
次に、フィルタの構成例を図１４を参照して説明する。
図１４はフィルタ全体の斜視図である。図１４において１はアルミナセラミック基板やガラスエポキシ基板などからなる誘電体基板であり、その上面に３つの多重スパイラル線路と放射状線路の組を配列形成することにより、３つの共振器を構成している。その３つの共振器のうち両側の多重スパイラル線路の配置領域の中央部に、各スパイラル状線路および放射状線路の内周端との間に静電容量を生じさせる結合パッド９ａ，９ｂをそれぞれ形成している。さらに誘電体基板１の上面にはボンディングパッド１０ａ，１０ｂを形成している。この誘電体基板１の下面には略全面のグランド電極３を形成している。また６は絶縁体または誘電体の基板であり、その上面から端面を経て下面に延びる入出力端子１２ａ，１２ｂを形成している。この基板６の下面には、入出力電極１２ａ，１２ｂの形成領域を避けて略全面にグランド電極３を形成している。
【００５３】
上記誘電体基板１は基板６の上面に接着固定している。結合パッド９ａ，９ｂとボンディングパッド１０ａ，１０ｂとの間は、それぞれボンディングワイヤー１１によりワイヤーボンディングしている。また基板６の入出力端子１２ａ，１２ｂの上面と誘電体基板１のボンディングパッド１０ａ，１０ｂとの間もボンディングワイヤー１１によりワイヤーボンディングしている。基板６の上面には、誘電体基板１およびボンディングワイヤー部分を覆うように、金属製キャップ１３を絶縁性の接合材により接合している。これにより全体を電磁界シールドしている。 なお、図においてはキャップ１３を透視して描いている。
【００５４】
以上に示した構成により、結合パッド９ａはその周囲の多重スパイラル線路と容量結合し、その多重スパイラル線路は隣接する多重スパイラル線路と誘導的に結合し、さらにこれに隣接するもうひとつの多重スパイラル線路との間も誘導的に結合する。この３段目の多重スパイラル線路は、その中央部の結合パッド９ｂと容量結合する。入出力端子１２ａ，１２ｂは結合パッド９ａ，９ｂと導通しているため、結局、入出力端子１２ａ−１２ｂ間が３段の共振器による帯域通過特性を示すフィルタとして作用する。
【００５５】
なお、誘電体基板１上のボンディングパッド１０ａ，１０ｂを中継せずに結合パッド９ａ，９ｂと入出力端子１２ａ，１２ｂとの間を直接ワイヤーボンディングしてもよい。
【００５６】
さらに図１４に示した例では、初段と終段のいずれの共振器についても結合パッド９ａ，９ｂを用いて入出力と共振器との結合をとるようにしたが、いずれか一方の共振器を構成する多重スパイラル線路の外周部に容量結合用の電極を形成するようにしてもよい。
【００５７】
図１５はデュプレクサの構成を示す図であり、上部のシールドカバーを取り除いた状態での上面図である。図において１００，１０１は図１４に示した誘電体基板部分の構成を備えるフィルタであり、この例では１００を送信フィルタ、１０１を受信フィルタとして用いる。この２つのフィルタを基板６の上面にマウントしている。基板６には分岐用の線路７、ＡＮＴ端子、ＴＸ端子およびＲＸ端子をそれぞれ形成していて、フィルタ１００，１０１の外部結合電極と基板６上の電極部分とをワイヤーボンディングしている。基板６の下面には、各端子部分を除いてほぼ全面のグランド電極を形成している。基板６の上部には図に示す破線部分にシールドカバーを取りつける。
【００５８】
図１６はこのデュプレクサのブロック図である。この構造により送信信号の受信回路への回り込みおよび受信信号の送信回路への回り込みを防止するとともに、送信回路からの送信信号を送信周波数帯域のみ通過させてアンテナへ導き、アンテナからの受信信号を受信周波数帯域のみ通過させて受信機へ与える。
【００５９】
図１７は通信装置の構成を示すブロック図である。ここでデュプレクサとしては図１５および図１６に示した構成のものを用いる。回路基板上には送信回路と受信回路を構成し、ＴＸ端子に送信回路が接続され、ＲＸ端子に受信回路が接続され、且つＡＮＴ端子にアンテナが接続されるように、上記回路基板上にデュプレクサを実装する。
【００６０】
なお、以上に示した各実施形態では、多重スパイラル線路の線数と、それに近接させる他の多重スパイラル線路の線数または放射状線路パターンの線数とを等しくしたが、両者の線数は異なっていてもよい。また、右旋と左旋の多重スパイラル線路を近接させる際に、ここで各スパイラル状線路を（ｒ，θ）を座標とする極座標方程式で、簡単にｒ＝ａθ（アルキメデスの渦線）で表せば、ａを一定とし、その極性を反転させただけであったが、ａの絶対値を異ならせた多重スパイラル線路を組み合わせてもよい。すなわち一方の多重スパイラル線路のスパイラルの旋回は急で、他方の多重スパイラル線路のスパイラルの旋回は緩いものであってもよい。
【００６１】
また、多重スパイラル線路に対して絶縁状態に配置する他の多重スパイラル線路または放射状の線路パターンは、それらの内周または外周を必ずしも一致させて配置する必要はない。例えば、上記他の多重スパイラル線路または放射状の線路パターンの内周と外周の半径は、上記多重スパイラル線路の内周と外周の半径と異なっていてもよい。
【００６２】
【発明の効果】
この発明によれば、線路の縁端部における電流集中が極めて効率的に緩和されて、全体の電力損失が抑制される。しかも各線路の線路長を短縮化できるので、共振器全体の小型化が図れる。また同じ占有面積に対して線数を多く設けることができ、その分大きな挿入損失低減効果が得られる。
【００６３】
また、複数組の線路パターンのうち少なくとも２組は、それぞれがスパイラル状をなす複数の線路の集合体とし、且つスパイラルの旋回方向を互いに逆の関係とすることにより、共振による磁界エネルギが効率的に保持されて共振器のＱが高まる。
【００６４】
また、複数組の線路パターンのうち少なくとも１組の線路パターンの略等電位部分同士を互いに導通させることにより、スプリアス共振モードが効果的に抑圧される。
【００６５】
また、線路パターンの線路を超伝導体で構成することにより、共振器のＱが高まるとともに、電流集中が少ない分、単位面積または単位体積当たりの電力密度を高めても、臨界電流密度以下のレベルで超伝導体の低損失特性が十分に活かせ、高いＱで動作させることができる。
【００６６】
また、線路パターンのそれぞれの線路幅を、使用周波数における線路導体の表皮深さ程度または表皮深さより細くすることにより、電力損失が飛躍的に低減される。
【００６７】
また、この発明によれば、低損失で高Ｑの共振器を用いることにより、低挿入損失で且つ小型のフィルタまたはデュプレクサが得られる。
【００６８】
さらに、この発明によれば、高周波送受信部の挿入損失が低く、雑音特性、伝送速度などの通信品質に優れ、且つ全体の小型の通信装置が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】多重スパイラル線路による共振器の構成を示す図
【図２】同線路のパターンを極座標から直角座標に変換して表した図
【図３】共振器の電磁界分布の例を示す図
【図４】他の共振器の電磁界分布の例を示す図
【図５】第１の実施形態に係る共振器の構成を示す図
【図６】同共振器における電磁界および電流密度分布の例を示す図
【図７】第２の実施形態に係る共振器の構成を示す図
【図８】第３の実施形態に係る共振器の構成を示す図
【図９】同共振器における電磁界および電流密度分布の例を示す図
【図１０】第４の実施形態に係る共振器の構成を示す図
【図１１】第５の実施形態に係る共振器の構成を示す図
【図１２】第６の実施形態に係る共振器の構成を示す図
【図１３】第７の実施形態に係る共振器におけるいくつかの線路パターンの例を示す図
【図１４】第８の実施形態に係るフィルタの構成を示す斜視図
【図１５】第９の実施形態に係るデュプレクサの構成を示す図
【図１６】同デュプレクサのブロック図
【図１７】第１０の実施形態に係る通信装置の構成を示す図
【符号の説明】
１−誘電体基板
２１，２２，２３−線路パターン
３−グランド電極
４−キャビティ
５−絶縁層
６−基板
７−分岐用線路
８−接続用電極
９−結合パッド
１０−ボンディングパッド
１１−ボンディングワイヤー
１２−入出力端子
１３−キャップ
１００−送信フィルタ
１０１−受信フィルタ
【発明の属する技術分野】
この発明は、無線通信や電磁波の送受信に利用される、たとえばマイクロ波帯やミリ波帯における共振器、フィルタ、デュプレクサおよび通信装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
マイクロ波帯やミリ波帯で用いられる、小型化可能な共振器として、特開平２−９６４０２号公報にスパイラル共振器が示されている。このスパイラル共振器は、共振器線路をスパイラル形状とすることによって、同一占有面積内に長い共振線路を構成して、全体に小型化を図ったものである。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上記従来の共振器は、１つの半波長線路にて１つの共振器を構成したものであった。したがって、従来の共振器は電気エネルギーが集中して蓄積される領域と磁気エネルギーが集中して蓄積される領域とがそれぞれ誘電体基板の特定の領域に分離されて偏在する。具体的には、半波長線路の開放端部近傍に電気エネルギーが蓄積され、半波長線路の中央部近傍に磁気エネルギーが蓄積される。
【０００４】
このような、１つのマイクロストリップ線路により構成される共振器では、マイクロストリップ線路が本質的に持つ縁端効果による特性劣化を免れないという難点があった。すなわち線路の断面を見た場合に、線路の縁端部（幅方向の両端、および厚み方向の上端・下端）に電流が集中する。仮に、線路の膜厚を厚くしても、電流集中の生じる縁端部が広がる訳ではないため、縁端効果による電力損失の問題は必ず生じる。
【０００５】
この発明の目的は、縁端効果による電力損失を極めて効果的に抑え、しかも全体に、より小型化できるようにした共振器、フィルタ、デュプレクサ、およびそれらを備えた通信装置を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、この発明に係る共振器は、それぞれが複数の線路の集合体であって、該複数の線路の両端を、前記基板上の所定点の周囲で前記集合体の実質的な内周上と外周上とにそれぞれ分布させて、前記複数の線路を互いに交差しないように配置した複数の線路パターンを備え、それらの線路パターンを互いに絶縁状態に配置するとともに、少なくとも１つの線路パターンのそれぞれの線路をスパイラル状とし、他の線路パターンのそれぞれの線路を前記線路パターンのそれぞれの線路とは異なった形状とする。
【０００８】
上記複数のスパイラル状の導体パターンによって、ある１つのスパイラル状の線路に隣接して略同形状のスパイラル状の線路が存在することになる。したがって、ミクロでみた物理的な端部は実際に存在し、それぞれの線路の端部に弱い縁端効果が生じるが、これらの複数の線路の集合体を１つの線路としてマクロでみた時、いわば或る線路の例えば右隣りに自分と合同の線路の左側の縁端部が隣接することになり、線路の幅方向の端部というものがなくなる。すなわち端部の存在が希薄となる。この作用を利用して、線路の縁端部における電流集中を極めて効率的に緩和し、全体の電力損失を抑制する。
【０００９】
さらに、それぞれの線路がスパイラル状を成す線路パターンに対して他の線路パターンを近接させることにより、上記スパイラル状の線路による線路パターンに静電容量を等価的に付加して、共振周波数の低減効果を生じさせ、予めスパイラル状の線路長を短く設定して全体の小型化を図る。また同一直径で線路パターンを形成する際の線数を多くして、このことにより損失低減効果をさらに高める。
【００１０】
上記複数の線路パターンのうち少なくとも１つの線路パターンは、例えば放射状のパターンとする。
【００１１】
また、上記複数の線路パターンのうち少なくとも２つは、それぞれがスパイラル状をなす複数の線路の集合体とし、且つスパイラルの旋回方向を互いに逆の関係とする。これにより、共振による磁界エネルギを効率的に保持させて共振器のＱを高める。
【００１２】
また、上記複数の線路パターンのうち少なくとも１つの線路パターンは、共振状態で略等電位となる部分同士を互いに導通させる。これにより、スプリアス共振モードを効果的に抑圧する。
【００１３】
また、上記線路パターンの線路を超伝導体で構成する。これにより、共振器のＱを高めるとともに、超伝導体の低損失特性を十分に発揮させ、臨界電流密度以下のレベルで高いＱで動作させる。
【００１４】
また、線路パターンのそれぞれの線路幅を、使用周波数における線路導体の表皮深さ程度または表皮深さより細くする。これにより線路の左右の間隙を通り抜ける磁束を保持するために流れる電流が左右で干渉する距離となるようにして、共振位相からずれた位相を持つ無効電流を抑える。これにより電力損失を飛躍的に低減させる。
【００１５】
この発明に係るフィルタは、上記のいずれかの構成を備えた共振器に結合する信号入出力部を設けて構成する。また、この発明に係るデュプレクサは、上記フィルタを送信フィルタもしくは受信フィルタとして、またはその両方のフィルタとして設けて構成する。これにより、挿入損失を低減するとともに全体の小型化を図る。
【００１６】
この発明の通信装置は、上記フィルタまたはデュプレクサを用いて構成する。これにより高周波送受信部の挿入損失を低減して、雑音特性、伝送速度などの通信品質を向上させるとともに、全体の小型化を図る。
【００１７】
【発明の実施の形態】
まず、この発明の共振器の原理について図１〜図４を参照して説明する。
図１の（Ｂ）は共振器の構成を示す上面図、（Ｃ）は断面図、（Ｄ）は部分拡大断面図である。誘電体基板１の下面には全面のグランド電極３を形成していて、上面にはそれぞれ合同である、両端開放のスパイラル状の８本の線路２を、互いに交差しないように、それぞれの線路の一端と他端を基板上の所定点（中心点）の周囲に配置している。（Ａ）はそれらの８本の線路のうち１つの線路を代表的に示している。これらの線路の幅は表皮深さに略等しい幅としている。以下、このようなスパイラル状線路の集合体を「多重スパイラル線路」と言う。
【００１８】
図２は図１に示した８本の線路の形状を極座標のパラメータを用いて示したものである。この例では８本の線路のそれぞれの内周端の動径ｒ１および外周端の動径ｒ２は一定であり、それぞれの端部の角度方向の位置を等間隔に配置している。任意の動径における線路の左端の角がθ１、右端の角がθ２であるとき、１つの線路の角幅をΔθ＝θ２−θ１で表す。ここで線数ｎ＝８であるので、１つの線路の角幅ΔθをΔθ≦２π／８（＝π／４）ラジアンの関係とする。また、任意の動径ｒｋにおける線路集合体全体の角幅θｗを２πラジアン以内とする。
【００１９】
これらの線路は相互誘導および静電容量により結合する。これらの多重スパイラル線路と誘電体基板１を挟んで対向するグランド電極３とによって１つの共振器として作用する。（以下、この共振器を「多重スパイラル共振器」という。）
尚、上記ｒ１，ｒ２は必ずしも一定である必要はなく、また等角度に配置しなくてもよく、さらには各線路が合同である必要もない。但し、特性面および製造の容易性の面で、ｒ１，ｒ２を一定とし、合同の線路を等角度に配置する方が望ましい。
【００２０】
図３は、上記多重スパイラル線路における電磁界および電流の分布の例を示している。図３における上段は多重スパイラル線路の平面図であるが、個々の線路を分離せずに塗り潰して表している。同図の中段は線路の内周端と外周端におけるチャージが最大の瞬間における多重スパイラル線路のＡ−Ａ部分の断面での電界および磁界の分布を示している。また、下段はその瞬間における同断面での各線路の電流密度および線路の間隙を通る磁界のｚ成分（紙面に垂直な方向）の平均値をそれぞれ示している。
【００２１】
ここで各線路をミクロ的に見れば、図に示すようにそれぞれの縁端部において電流密度が大きくなるが、動径方向の横断面で見た時に、１つのスパイラル状線路の左右両側に一定の間隙をおいて同程度の振幅と位相を持った電流の流れる導体線路が配置されるため、縁端効果が緩和される。すなわち多重スパイラル線路を１つの線路と見た場合に、内周端と外周端が電流分布の節、中央が腹となるほぼ正弦波状に分布し、マクロ的には縁端効果が生じない。
【００２２】
図４は比較例であり、図３に示した各線路の線路幅を表皮深さの数倍の幅にまで広げた場合について示している。このように線路幅を広げると、図に示すように各導体の縁端効果による電流集中が顕在化し、損失低減効果は小さくなる。
【００２３】
次に、この発明の第１の実施形態である共振器の構成を図５および図６を参照して説明する。
図５の（Ａ）は共振器の上面図、（Ｂ）は中央縦断面図、（Ｃ），（Ｄ）は２つの線路パターンの平面図である。誘電体基板１の下面には全面のグランド電極３を形成していて、上面には複数のスパイラル状の線路パターン２１を形成している。（Ｃ）はその例であり、それぞれ合同である両端開放のスパイラル状の複数本の線路を互いに交差しないように、それぞれの線路の一端と他端を基板上の所定点（中心点）の周囲に回転対称状に配置している。
【００２４】
（Ｂ）において５は絶縁層であり、この上面に上記線路パターン２１とは異なった線路パターン２２を形成している。（Ｄ）はその例であり、それぞれ合同である両端開放の放射状の複数本の線路を、互いに交差しないように、それぞれの線路の一端と他端を上記所定点の周囲に配置している。上記線路パターン２１，２２のそれぞれの線路の幅は、使用する周波数帯で線路導体の表皮深さに略等しい幅としている。
【００２５】
上記線路パターン２１，２２の導体およびグランド電極３には、Ａｌ，Ｃｕ，Ｎｉ，Ａｇ，Ａｕなどの金属材料を用いる。また絶縁層５には、ＳｉＯ２ ，Ａｌ２ Ｏ３ ，ＢＣＢ（Ｂｅｎｚｏ Ｃｙｃｌｏ Ｂｕｔｅｎｅ）などの絶縁材料を用いる。
【００２６】
具体的には、誘電体基板１の表面に、保護膜としてＡｌ２ Ｏ３ を形成し、密着層としてＴｉの薄膜を形成し、その表面にメッキ膜を成長させるための種としてのＣｕを蒸着またはスパッタリングし、その表面にＣｕをメッキ成長させる。さらにその表面に拡散防止層としてＮｉ膜をメッキ形成し、最表面に信号入出力用のワイヤーをボンディングするためにＡｕのメッキ膜を形成する。このようにＡｌ２ Ｏ３ 膜の表面に金属薄膜を形成した状態でフォトリソグラフィにより、図５の（Ｃ）に示したような線路パターン２１を形成する。すなわちフォトレジスト膜塗布→乾燥・硬化→マスク露光→現像→ベーク→エッチングといった工程でパターニングする。
【００２７】
絶縁層５は、上記絶縁材料を蒸着またはスパッリングにより成膜し、その表面に上記線路パターン２１の場合と同様にして、線路パターン２２をパターニングする。
【００２８】
上記線路パターン２１，２２の導体およびグランド電極３には、高温超伝導体材料を用いてもよい。これにより、共振器のＱがさらに高まる。また、電流集中が少ない分、単位面積または単位体積当たりの電力密度を高めても、臨界電流密度以下のレベルで超伝導体の低損失特性が十分に活かせ、高いＱで動作させることができる。
【００２９】
図５に示した共振器は、多重スパイラル線路２１と誘電体基板１を挟んだグランド電極３との組み合わせにより、図１〜図４に示したように、多重スパイラル共振器として作用する。
【００３０】
図６は上記共振器の電磁界および電流密度の分布の例を示している。分布図の下段は、共振器のＡ−Ａ′部分の断面での電界および磁界の分布を示している。またその上段は、同断面での瞬間における各線路の電流密度を示している。
【００３１】
この多重スパイラル共振器は、内周部が電位最大となる時、外周部は電位最小となる。また共振周期の半周期だけ経過した時刻でみると、この逆の電位関係となる。したがって、多重スパイラル線路の内周部と外周部を始点および終点とする放射状の線路パターン２２を近接配置すると、多重スパイラル共振器の内周部と外周部の電位差によって静電容量が付加されたように作用する。すなわち、多重スパイラル線路の内周部から外周部にかけて絶縁層５を介して放射状の線路パターン２２との間に静電容量が分布するため、多重スパイラル線路と放射状パターンの、内周部同士と、外周部同士の間に生じる電位差は、図６に示すように逆となる。
【００３２】
換言すると、線路パターン２１に対して絶縁状態に配置した線路パターン２２は、線路パターン２１による共振モードの電圧の節と電圧の腹との電位差またはその一部を利用して静電容量を付加させたように作用する。
【００３３】
なお、電流密度分布のピークが線路パターン２１の内周部と外周部の中央より外周部寄りにあるのは、線路長でみたときの中点（５０％の位置）が半径でみたときの７０％の位置となるためである。
【００３４】
この付加容量によって共振周波数が低下するので、その分、予め多重スパイラル線路の各線路長を短く設定しておけば、所定の共振周波数を得るための多重スパイラル共振器の直径が小さくできる。また、同じ外周部の直径とする場合には、多重スパイラル線路の線数を多くすることができ、それだけ損失低減効果が高まる。
【００３５】
次に、第２の実施形態に係る共振器の構成を図７を参照して説明する。
図７の（Ａ）は共振器の上面図、（Ｂ）は中央縦断面図、（Ｃ），（Ｄ）は２つの線路パターンの平面図である。誘電体基板１の下面には全面のグランド電極３を形成していて、上面には（Ｃ）に示すような複数のスパイラル状線路パターン２１により多重スパイラル線路を形成している。この線路パターン２１は図５に示したものと同様である。（Ｂ）において５は絶縁層であり、この上面に線路パターン２３を形成している。（Ｄ）はその例であり、複数の線路の両端を、線路パターン２１による多重スパイラル線路の中心点の周囲で実質的な内周上と外周上とにそれぞれ分布させて、前記複数の線路が互いに交差しないように、それぞれスパイラル状の線路を配置している。但し、それらの線路の旋回方向は線路パターン２１の各線路の旋回方向とは逆である。すなわち、スパイラル状線路パターン２１を裏返したようなパターンとしている。
なお、これらの線路パターン２１，２３のそれぞれの線路の幅は、使用する周波数帯で線路導体の表皮深さに略等しい幅としている。
【００３６】
このような構造により、所望の共振周波数における共振モードにおいて、線路パターン２１の内周部が電位最大となる時、外周部は電位最小となる。さらに、この時、もう一方の線路パターン２３の内周部は電位最小で、外周部は電位最大となる。すなわち、誘電体基板１を挟む線路パターン２１とグランド電極３とによる第１の多重スパイラル共振器と、同じく誘電体基板１を挟む線路パターン２３とグランド電極３とによる第２の多重スパイラル共振器との位相関係は逆相となる。なぜなら、線路パターン２１の内周部から外周部にかけて、絶縁層５を介して線路パターン２３との間に静電容量が分布するため、線路パターン２１と線路パターン２３の、内周部同士と、外周部同士の間に生じる電位差が逆になるからである。このことが多重スパイラル共振器に静電容量が付加されたことと等価となる。そのため第１の実施形態の場合と同様に、多重スパイラル共振器の直径を小さくでき、また同じ直径とする場合には線数を多くすることによって損失低減効果を高めることができる。
【００３７】
また、多重スパイラル状の線路パターン２１の各線路に流れる電流は、内周部が電位最大、外周部が電位最小であるとき、内周部から外周部に向かって左向きに流れ、もう１つの多重スパイラル状の線路パターン２３の各線路に流れる電流は、このとき外周部が電位最大、内周部が電位最小であるので、外周部から内周部に向かって、同じく左向きに流れる。したがって、電流は同じ旋回方向を向いて流れることになり、磁界エネルギーが効率的に保持される。この結果、共振器のＱが高まる。
【００３８】
次に、第３の実施形態に係る共振器の構成を図８および図９を参照して説明する。
図８の（Ａ）はキャビティを除いた状態での共振器の上面図、（Ｂ）は共振器の中央縦断面図、（Ｃ），（Ｄ）は２つの線路パターンの平面図である。この例では、誘電体基板１の図における上面に多重スパイラル状の線路パターン２１を形成していて、同様に誘電体基板１の下面にもう１つの多重スパイラル状の線路パターン２３を形成している。線路パターン２１は（Ｃ）に示すように左旋の多重スパイラル状の線路パターンであり、第１の実施形態で示したものと同様である。（Ｄ）は誘電体基板１の上面からみた図であり、線路パターン２３は上面からみて右旋の多重スパイラル状の線路パターンとしている。したがって、誘電体基板１の下面側からみれば、この線路パターン２３は左旋の多重スパイラル線路とみえる。
【００３９】
なお、これらの線路パターン２１，２３のそれぞれの線路の幅は、使用する周波数帯で線路導体の表皮深さに略等しい幅としている。
【００４０】
図９は図８に示した共振器の電磁界および電流密度の分布の例を示している。分布図の下段は、共振器のＡ−Ａ′部分の断面での電界および磁界の分布を示している。また、その上段は、同断面での瞬間における各線路の電流密度を示している。
【００４１】
キャビティ４で囲まれた空間において線路パターン２１は１つの多重スパイラル共振器を構成する。同様に、キャビティ４による空間において、線路パターン２３はもう一つの多重スパイラル共振器を構成する。線路パターン２１による共振器の共振モードにおいて、内周部が電位最大となる時、外周部は電位最小となる。また共振周期の半周期だけ経過した時刻では、この逆の電位関係となる。したがって、この線路２１に、もう一つの多重スパイラル状の線路パターン２３を近接配置すると、多重スパイラル共振器の内周部と外周部の電位差によって静電容量が付加されたように作用する。すなわち、一方の線路パターン２１の内周部から外周部にかけて、誘電体基板１を介して他方の線路パターン２３との間に静電容量が分布するため、２つの線路パターンの間に生じる電位差は、図９に示すように内周部と外周部とで逆となる。このことが多重スパイラル共振器に静電容量が付加されたことと等価となる。
【００４２】
この付加容量によって共振周波数が低下するので、その分、予め多重スパイラル線路の各線路長を短く設定しておけば、所定の共振周波数を得るための多重スパイラル共振器の直径が小さくできる。また、同じ直径とする場合には、多重スパイラル線路の線数を多くすることができ、それだけ損失低減効果が高まる。
【００４３】
図１０は第４の実施形態に係る共振器の構成を示す図である。（Ａ）は上面図、（Ｂ）は中央縦断面図である。この例では、誘電体基板１の上面にそれぞれ多重スパイラル状の線路パターン２１ａ，２３ａ，２１ｂ，２３ｂを絶縁層５を介して順次積層形成している。この４つの線路パターンのうち、２１ａ，２１ｂは同図の（Ｃ）に示すように左旋の多重スパイラル線路としている。また２３ａ，２３ｂは同図の（Ｄ）に示すように右旋の多重スパイラル線路としている。この構造は、図７に示した２層の多重スパイラル線路を１組としたとき、これを２組設けたものに等しい。このような多層化により電界エネルギーの蓄積量がさらに増大し、磁界エネルギーを低損失に保持することができる。その結果、共振器のＱをさらに高めることができる。
【００４４】
図１１は第５の実施形態に係る共振器の構成を示す図である。（Ａ）はキャビティを除いた状態での上面図、（Ｂ）は共振器の中央縦断面図である。この例では、誘電体基板１ａの上面に、（Ｃ）に示すような多重スパイラル状の線路パターン２１ａを形成し、その下面にグランド電極３ａを略全面に形成している。また、もう１つの誘電体基板１ｂの図における下面に、（Ｄ）に示すような多重スパイラル状の線路パターン２１ｂを形成し、その上面にグランド電極３ｂを略全面に形成している。
【００４５】
この例では、線路パターン２１ａは左旋の多重スパイラル線路を構成し、線路パターン２１ｂは右旋の多重スパイラル線路を構成する。但し、図１１の（Ｄ）は誘電体基板１ｂの上面からみた図であり、誘電体基板１ｂの下面側から見れば（Ｃ）に示したものと同様に左旋の多重スパイラル線路とみえる。したがって、誘電体基板１ａによる共振器と誘電体基板１ｂによる共振器は全く同じものである。この２つの共振器を、多重スパイラル線路同士が空気層を介して近接するように配置しているため、図９に示したものと同様にその間隙部分に、主に間隙の幅方向（誘電体基板に垂直な方向）を向いた電界ベクトルが分布し、単一の誘電体基板を用いた場合に比べて静電容量が等価的に付加されたこととなる。これにより、多重スパイラル共振器の直径を小さくでき、同じ直径とする場合に、線数を多くすることによって損失低減効果を高めることができる。
【００４６】
図１２は第６の実施形態に係る共振器の構成を示す図である。（Ａ）はその上面図、（Ｂ）のその中央縦断面図である。この例では、誘電体基板１の内部に同図の（Ｄ）に示すような放射状の線路パターン２２を埋設していて、誘電体基板１の上面に同図の（Ｃ）に示すような多重スパイラル状の線路パターン２１を形成している。また下面には略全面のグランド電極３を形成している。線路パターン２２はセラミック多層基板の製造方法によって、基板内に埋設する。
【００４７】
このように下層に放射状の線路パターン２２を設け、上層に多重スパイラル状の線路パターン２１を配置しても、図５に示した共振器の場合と同様に、多重スパイラル共振器に静電容量が付加された構造となり、同様にして小型低損失な共振器が構成できる。
【００４８】
図１３はこれまでに示した各種形式の共振器における線路パターンの他のいくつかの例を示す図である。（Ａ）〜（Ｄ）はそれぞれ多重スパイラル状の線路パターンについての例であり、（Ａ）の例では、線路パターンの内周部を接続する円形の接続用電極８を形成している。また（Ｂ）に示す例では、その内周端にリング状の接続用電極８を形成している。（Ｃ）に示す例では、多重スパイラル状の線路パターンの内周端と外周端の間の等電位部分を互いに接続するリング状の接続用電極８を形成している。さらに（Ｄ）に示す例では、その外周端にリング状の接続用電極８を形成している。
【００４９】
このように、いずれの例でも多重スパイラル状線路の等電位部分を接続用電極８で接続することによって、用いるべき基本共振モード以外のスプリアスモードに対して、上記接続用電極８が非等電位部分同士を接続する電極として作用するので、そのスプリアスモードが効果的に抑圧される。
【００５０】
図１３の（Ｅ）〜（Ｈ）は放射状の線路パターンについての例であり、（Ｅ）では、放射状の線路パターンの内周端同士を接続する円形の接続用電極８を形成している。（Ｆ）に示す例では、その内周端にリング状の接続用電極８を形成している。（Ｇ）に示す例では、放射状線路パターンの内周端と外周端の間の等電位部分を互いに接続するリング状の接続用電極８を形成している。さらに（Ｈ）に示す例では、その外周端にリング状の接続用電極８を形成している。
【００５１】
この放射状線路パターンは共振器としては用いていないが、多重スパイラル共振器の電磁界の中で動作しているので、このように、多重スパイラル共振器に対して静電容量を付加させるように作用する放射状の線路パターンについても、その等電位部分同士を接続用電極８で接続することによって、放射状線路パターンの内周端と外周端の両端が開放された半波長共振モードを基本として、その他のスプリアスモードが抑制される。そのため、多重スパイラル線路に接続用電極を設けた場合と同様にスプリアス抑圧効果が得られる。
【００５２】
次に、フィルタの構成例を図１４を参照して説明する。
図１４はフィルタ全体の斜視図である。図１４において１はアルミナセラミック基板やガラスエポキシ基板などからなる誘電体基板であり、その上面に３つの多重スパイラル線路と放射状線路の組を配列形成することにより、３つの共振器を構成している。その３つの共振器のうち両側の多重スパイラル線路の配置領域の中央部に、各スパイラル状線路および放射状線路の内周端との間に静電容量を生じさせる結合パッド９ａ，９ｂをそれぞれ形成している。さらに誘電体基板１の上面にはボンディングパッド１０ａ，１０ｂを形成している。この誘電体基板１の下面には略全面のグランド電極３を形成している。また６は絶縁体または誘電体の基板であり、その上面から端面を経て下面に延びる入出力端子１２ａ，１２ｂを形成している。この基板６の下面には、入出力電極１２ａ，１２ｂの形成領域を避けて略全面にグランド電極３を形成している。
【００５３】
上記誘電体基板１は基板６の上面に接着固定している。結合パッド９ａ，９ｂとボンディングパッド１０ａ，１０ｂとの間は、それぞれボンディングワイヤー１１によりワイヤーボンディングしている。また基板６の入出力端子１２ａ，１２ｂの上面と誘電体基板１のボンディングパッド１０ａ，１０ｂとの間もボンディングワイヤー１１によりワイヤーボンディングしている。基板６の上面には、誘電体基板１およびボンディングワイヤー部分を覆うように、金属製キャップ１３を絶縁性の接合材により接合している。これにより全体を電磁界シールドしている。 なお、図においてはキャップ１３を透視して描いている。
【００５４】
以上に示した構成により、結合パッド９ａはその周囲の多重スパイラル線路と容量結合し、その多重スパイラル線路は隣接する多重スパイラル線路と誘導的に結合し、さらにこれに隣接するもうひとつの多重スパイラル線路との間も誘導的に結合する。この３段目の多重スパイラル線路は、その中央部の結合パッド９ｂと容量結合する。入出力端子１２ａ，１２ｂは結合パッド９ａ，９ｂと導通しているため、結局、入出力端子１２ａ−１２ｂ間が３段の共振器による帯域通過特性を示すフィルタとして作用する。
【００５５】
なお、誘電体基板１上のボンディングパッド１０ａ，１０ｂを中継せずに結合パッド９ａ，９ｂと入出力端子１２ａ，１２ｂとの間を直接ワイヤーボンディングしてもよい。
【００５６】
さらに図１４に示した例では、初段と終段のいずれの共振器についても結合パッド９ａ，９ｂを用いて入出力と共振器との結合をとるようにしたが、いずれか一方の共振器を構成する多重スパイラル線路の外周部に容量結合用の電極を形成するようにしてもよい。
【００５７】
図１５はデュプレクサの構成を示す図であり、上部のシールドカバーを取り除いた状態での上面図である。図において１００，１０１は図１４に示した誘電体基板部分の構成を備えるフィルタであり、この例では１００を送信フィルタ、１０１を受信フィルタとして用いる。この２つのフィルタを基板６の上面にマウントしている。基板６には分岐用の線路７、ＡＮＴ端子、ＴＸ端子およびＲＸ端子をそれぞれ形成していて、フィルタ１００，１０１の外部結合電極と基板６上の電極部分とをワイヤーボンディングしている。基板６の下面には、各端子部分を除いてほぼ全面のグランド電極を形成している。基板６の上部には図に示す破線部分にシールドカバーを取りつける。
【００５８】
図１６はこのデュプレクサのブロック図である。この構造により送信信号の受信回路への回り込みおよび受信信号の送信回路への回り込みを防止するとともに、送信回路からの送信信号を送信周波数帯域のみ通過させてアンテナへ導き、アンテナからの受信信号を受信周波数帯域のみ通過させて受信機へ与える。
【００５９】
図１７は通信装置の構成を示すブロック図である。ここでデュプレクサとしては図１５および図１６に示した構成のものを用いる。回路基板上には送信回路と受信回路を構成し、ＴＸ端子に送信回路が接続され、ＲＸ端子に受信回路が接続され、且つＡＮＴ端子にアンテナが接続されるように、上記回路基板上にデュプレクサを実装する。
【００６０】
なお、以上に示した各実施形態では、多重スパイラル線路の線数と、それに近接させる他の多重スパイラル線路の線数または放射状線路パターンの線数とを等しくしたが、両者の線数は異なっていてもよい。また、右旋と左旋の多重スパイラル線路を近接させる際に、ここで各スパイラル状線路を（ｒ，θ）を座標とする極座標方程式で、簡単にｒ＝ａθ（アルキメデスの渦線）で表せば、ａを一定とし、その極性を反転させただけであったが、ａの絶対値を異ならせた多重スパイラル線路を組み合わせてもよい。すなわち一方の多重スパイラル線路のスパイラルの旋回は急で、他方の多重スパイラル線路のスパイラルの旋回は緩いものであってもよい。
【００６１】
また、多重スパイラル線路に対して絶縁状態に配置する他の多重スパイラル線路または放射状の線路パターンは、それらの内周または外周を必ずしも一致させて配置する必要はない。例えば、上記他の多重スパイラル線路または放射状の線路パターンの内周と外周の半径は、上記多重スパイラル線路の内周と外周の半径と異なっていてもよい。
【００６２】
【発明の効果】
この発明によれば、線路の縁端部における電流集中が極めて効率的に緩和されて、全体の電力損失が抑制される。しかも各線路の線路長を短縮化できるので、共振器全体の小型化が図れる。また同じ占有面積に対して線数を多く設けることができ、その分大きな挿入損失低減効果が得られる。
【００６３】
また、複数組の線路パターンのうち少なくとも２組は、それぞれがスパイラル状をなす複数の線路の集合体とし、且つスパイラルの旋回方向を互いに逆の関係とすることにより、共振による磁界エネルギが効率的に保持されて共振器のＱが高まる。
【００６４】
また、複数組の線路パターンのうち少なくとも１組の線路パターンの略等電位部分同士を互いに導通させることにより、スプリアス共振モードが効果的に抑圧される。
【００６５】
また、線路パターンの線路を超伝導体で構成することにより、共振器のＱが高まるとともに、電流集中が少ない分、単位面積または単位体積当たりの電力密度を高めても、臨界電流密度以下のレベルで超伝導体の低損失特性が十分に活かせ、高いＱで動作させることができる。
【００６６】
また、線路パターンのそれぞれの線路幅を、使用周波数における線路導体の表皮深さ程度または表皮深さより細くすることにより、電力損失が飛躍的に低減される。
【００６７】
また、この発明によれば、低損失で高Ｑの共振器を用いることにより、低挿入損失で且つ小型のフィルタまたはデュプレクサが得られる。
【００６８】
さらに、この発明によれば、高周波送受信部の挿入損失が低く、雑音特性、伝送速度などの通信品質に優れ、且つ全体の小型の通信装置が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】多重スパイラル線路による共振器の構成を示す図
【図２】同線路のパターンを極座標から直角座標に変換して表した図
【図３】共振器の電磁界分布の例を示す図
【図４】他の共振器の電磁界分布の例を示す図
【図５】第１の実施形態に係る共振器の構成を示す図
【図６】同共振器における電磁界および電流密度分布の例を示す図
【図７】第２の実施形態に係る共振器の構成を示す図
【図８】第３の実施形態に係る共振器の構成を示す図
【図９】同共振器における電磁界および電流密度分布の例を示す図
【図１０】第４の実施形態に係る共振器の構成を示す図
【図１１】第５の実施形態に係る共振器の構成を示す図
【図１２】第６の実施形態に係る共振器の構成を示す図
【図１３】第７の実施形態に係る共振器におけるいくつかの線路パターンの例を示す図
【図１４】第８の実施形態に係るフィルタの構成を示す斜視図
【図１５】第９の実施形態に係るデュプレクサの構成を示す図
【図１６】同デュプレクサのブロック図
【図１７】第１０の実施形態に係る通信装置の構成を示す図
【符号の説明】
１−誘電体基板
２１，２２，２３−線路パターン
３−グランド電極
４−キャビティ
５−絶縁層
６−基板
７−分岐用線路
８−接続用電極
９−結合パッド
１０−ボンディングパッド
１１−ボンディングワイヤー
１２−入出力端子
１３−キャップ
１００−送信フィルタ
１０１−受信フィルタ
Claims (9)
- それぞれが複数の線路の集合体であって、該複数の線路のうち少なくとも一部の線路の両端を、基板上の所定点の周囲で前記集合体の実質的な内周上と外周上とにそれぞれ分布させて、前記複数の線路を互いに交差しないように配置した複数の線路パターンを備え、それらの線路パターンを互いに絶縁状態に配置するとともに、前記複数の線路パターンのうち少なくとも１つの線路パターンのそれぞれの線路をスパイラル状とし、他の線路パターンのうち少なくとも１つの線路パターンのそれぞれの線路を前記スパイラル状の線路とは異なった形状とした共振器。
- 前記複数の線路パターンのうち少なくとも１つの線路パターンが放射状のパターンである請求項１に記載の共振器。
- 前記複数の線路パターンのうち少なくとも２つは、それぞれがスパイラル状を成す複数の線路の集合体であり、且つスパイラルの旋回方向が互いに逆の関係にある請求項１または２に記載の共振器。
- 前記複数の線路パターンのうち少なくとも１つの線路パターンは、共振状態で略等電位となる部分同士を互いに導通させた請求項１〜３のうちいずれかに記載の共振器。
- 前記複数の線路パターンのうち少なくとも１つの線路パターンの線路を超伝線路で構成した請求項１〜４のうちいずれかに記載の共振器。
- 前記複数の線路パターンのそれぞれの線路幅を、使用周波数における当該線路導体の表皮深さ程度または該表皮深さより細くした請求項１〜５のうちいずれかに記載の共振器。
- 請求項１〜６のうちいずれかに記載の共振器に信号入出力部を設けて成るフィルタ。
- 請求項７に記載のフィルタを送信フィルタもしくは受信フィルタとして、またはその両方のフィルタとして設けて成るデュプレクサ。
- 請求項７に記載のフィルタまたは請求項８に記載のデュプレクサを備えて成る通信装置。
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