JP3632576B2 - フィルタ、マルチプレクサおよび通信装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、マイクロ波帯やミリ波帯で用いられるフィルタ、マルチプレクサ、およびそれらを設けた通信装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、平面回路型の誘電体共振器と結合プローブ、サスペンデッドライン、ＮＲＤガイドとの入出力結合を有する誘電体共振器装置として特開平１１−２３４００８が開示されている。その誘電体共振器装置は、誘電体板の両面に、互いに対向する電極開口部を有する電極を設けて、その電極開口部を共振器として作用させるものであり、小型で且つ低挿入損失の帯域通過フィルタ等として用いられる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、上記共振器の励振用線路としてマイクロストリップラインやサスペンデッドラインなどの入出力線路を用いた場合、励振時の磁界結合により、入出力線路（マイクロストリップラインまたはサスペンデッドライン）に電流が流れる。この電流によって導体損が発生し、フィルタとして用いた際の挿入損失が大きくなるという問題があった。また、ミリ波帯の装置で多用されている導波管で入出力を行うモジュールに対して、上記誘電体共振器装置を接続する場合、上記マイクロストリップラインやサスペンデッドラインと導波管との変換を行わなければならず、接続性が悪いという問題があった。
【０００４】
この発明の目的は、上記入出力線路による導体損の問題および導波管系の伝送線路との接続性の問題を解消したフィルタ、マルチプレクサ、およびそれらを備えた通信装置を提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
この発明は、誘電体板の両面にその誘電体板を挟んで互いに対向する電極開口部を有する電極を設けた共振器と、これに直接結合する導波管とからフィルタを構成する。この誘電体板に構成した共振器と導波管との直接結合によって、マイクロストリップラインやサスペンデッドライン等の入出力線路による導体損の発生を無くし、且つ入出力が導波管であるモジュールとの接続性を高める。
【０００８】
また、この発明は、誘電体板の電極形成面に垂直な方向で且つ複数の共振器の配列方向に垂直な方向へ導波管の電磁波伝搬方向を向けるとともに、誘電体板の端部に構成した両端の共振器を導波管内に突出させたことを特徴とする。これにより、フィルタ部分を構成する誘電体板の取り付け部と導波管との接続性および実装性を向上させる。
【０００９】
また、この発明は、誘電体板における電極開口部が形成された面に垂直な方向に導波管の電磁波伝搬方向を向けた構造で、前記電極開口部の長さ方向の一方の端部から他方の端部までの範囲内で、その電極開口部を前記導波管に挿入する。これにより所定の外部Ｑ（Ｑｅ）を得る。
【００１０】
また、この発明は、誘電体板における電極開口部が形成された面に垂直な方向に導波管の電磁波伝搬方向を向けた構造で、前記導波管に直接結合する共振器の共振波長を（２ｎ−１）／４（ｎは１以上の整数）とし、当該共振器を成す前記電極開口部の長さ方向に、共振波長の（ｍ−１）／２（ｍは２〜ｎの整数）だけ、導波管に挿入する。これにより、導波管と共振器との結合を強くし、バックショート量の変化に対するＱｅの変化を小さくしてフィルタ特性を安定化させる。
【００１１】
また、この発明は、上記のいずれかの構成のフィルタを複数設けてマルチプレクサを構成する。
【００１２】
さらにこの発明は、上記フィルタまたはマルチプレクサを設けて通信装置を構成する。
【００１３】
【発明の実施の形態】
第１の実施形態に係るフィルタの構成を図１を参照して説明する。
図１の（Ａ）は、一部の上蓋を取り除いた状態での上面図、（Ｂ）は中央縦断面図である。図１において、１は誘電体板であり、その上面に電極２、下面に電極３をそれぞれ形成している。４ａ〜４ｅおよび５ａ〜５ｅで示す部分は電極開口部であり、誘電体板１を挟んで互いに対向するように、これらの電極開口部を設けている。これらの上下電極開口部で挟まれる誘電体板部分は、それぞれ矩形スロットモードの共振器として作用する。すなわち、電極開口部４ａ，５ａの対向部および電極開口部４ｅ，５ｅの対向部が、それぞれＴＥ１０１モードの誘電体共振器（１／２波長共振器）として作用する。また電極開口部４ｂ，５ｂの対向部、４ｃ，５ｃの対向部、および４ｄ，５ｄの対向部は、それぞれＴＥ１０２モードの誘電体共振器（１波長共振器）として作用する。
【００１４】
６で示す部分は、誘電体板１を収納するとともに、両面の電極２，３から所定間隔を隔てて導体平面を構成する金属製パッケージである。図１の（Ａ）においては、その上蓋を取り除いて、内部が見える状態にしている。７で示す部分は上記パッケージ６に接続した矩形導波管である。図１の（Ｂ）における破線はパッケージ６内および導波管７内の磁界分布を示している。導波管内はＴＥ１０モードの電磁波が伝搬し、このＴＥ１０モードの電磁波と、誘電体板による上記ＴＥ１０１モードの電磁界とは、磁界分布が平行となって、両モードが結合する。
【００１５】
以上の構成により、５段の誘電体共振器による帯域通過特性を示す、導波管を入出力とするフィルタとして作用する。
【００１６】
このように入出力部分にマイクロストリップライン、サスペンデッドラインまたは同軸プローブ等を用いることなく、導波管に直接結合させるようにしたため、入出力線路による導体損の無い、低挿入損失特性のフィルタが得られる。
【００１７】
次に、第２の実施形態に係るフィルタの構成を図２を参照して説明する。
図１に示した例では、誘電体板１に対して矩形の電極開口部を設けることによって、矩形スロットモードの誘電体共振器を構成したが、図２に示すように、誘電体板１を挟む上下の電極開口部を円形としてもよい。図中の４ａ〜４ｅは誘電体板１の上面に設けた電極開口部を示していて、誘電体板１の下面には、これらの電極開口部４ａ〜４ｅにそれぞれ対向する位置に、同形状の電極開口部を設けている。これらの誘電体板１の電極開口部は円形ＴＥ０１０モードの誘電体共振器として作用する。誘電体板１の両端部に設けた電極開口部４ａ，４ｅおよびそれらに対向する下面の電極開口部による共振器の磁界分布のうち、導波管７のＴＥ１０モードの磁界に平行となる成分で両者は磁界結合する。
【００１８】
次に、第３の実施形態に係るフィルタの構成を図３を参照して説明する。
図１に示した第１の実施形態の場合とは異なり、この例では、誘電体板１に設けた対向する電極開口部４ａ，５ａ部分の共振器、および対向する電極開口部４ｅ，５ｅ部分の共振器を、一端短絡他端開放の共振器としている。すなわち３／４波長共振器であり、電極開口部４ａ，５ａ，４ｅ，５ｅの導波管側を向く誘電体板の端面にまで電極を開口させている。他の共振器は１波長共振器としている。図３の（Ａ）における矢印は、誘電体板１に構成した共振器の矩形スロットモードの電界分布、および導波管７におけるＴＥ１０モードの電界分布を示している。また（Ｂ）における破線はそれらの磁界分布を示している。
【００１９】
なお、上記一端短絡他端開放の共振器は、３／４波長共振器に限らず、（２ｎ−１）／４波長共振器（ｎ：１以上の整数）とすればよい。
【００２０】
このように、片端開放の共振器を導波管に結合させることにより、導波管に結合する共振器の端部（誘電体板の端部）における電極に電流が流れることによる導体損が無くなり、フィルタの挿入損失特性がさらに改善できる。しかも上記開放端部分は磁界の漏れが大きいので、導波管との強い結合を容易に得ることができる。
【００２１】
図４は第４の実施形態に係るフィルタの構成を示す図である。図３の（Ａ）と同様に、パッケージ６の上蓋を取り除いた状態での上面図である。この例では、導波管７に結合する、誘電体板１の両端部に構成した共振器の開放部分の幅すなわち電極開口部の開口幅（開放端の幅）を図３の場合より狭くしている。開口幅が狭くなるほど磁界の漏れが少なくなって、導波管との結合量が小さくなり、開口部の幅を広げればその逆の関係となるので、この開口部の幅によって導波管との結合量の設定または調整を行えばよい。
【００２２】
次に、第５の実施形態に係るフィルタの構成を図５〜図８を参照して説明する。
先に示した各実施形態では、複数の共振器を構成した誘電体板の長手方向を導波管の電磁波伝搬方向に向けるようにしたが、この第４の実施形態では、誘電体板の平面に垂直な方向に導波管の電磁波伝搬方向を向けている。
【００２３】
図５の（Ａ）は誘電体板１の面に平行な、誘電体板１付近を通る面での断面図、（Ｂ）は誘電体板１の面に垂直な面での断面図である。誘電体板１の電極構成は図３に示したものと同様であり、両面に、互いに対向する電極開口部４ａ〜４ｅ，５ａ〜５ｅを有する電極２，３を形成している。このように誘電体板１の面に垂直な方向に導波管の電磁波伝搬方向を向けた場合でも、誘電体板の両端部に構成される共振器の矩形スロットモードと、導波管を伝搬するＴＥ１０モードとが磁界結合される。
【００２４】
図６は図５に示したフィルタの分解斜視図である。ここで６１はパッケージベース、６２はパッケージベース６１の上部に重ねられるパッケージカバーである。パッケージベース６１には誘電体板１を載置する窪みを形成していて、その窪みに誘電体板１を載置し、パッケージカバー６２を重ねることによって、パッケージベース６１とパッケージカバー６２との間に、それらの内面から所定間隔隔てて誘電体板１を保持するようにしている。パッケージベース６１に設けた２つの開口部は上記導波管の一部を構成する。パッケージカバー６２の内面には導波管の端面となる凹部を形成している。
【００２５】
このように、導波管を伝搬する電磁波の伝搬方向に垂直に誘電体板１を配置する構成にしたことにより、フィルタの実装性が高まる。すなわち、導波管の開口面（図５の（Ｂ）における下端面）を回路基板表面に実装または近接配置するだけで、その回路基板上に形成しているマイクロストリップライン等の線路と導波管とが磁界結合する。そのため、この図５に示したフィルタの実装性、およびそのフィルタを実装する回路モジュールとの接続性が大幅に向上する。
【００２６】
図７は図５に示した誘電体板１の両端部に構成した共振器と導波管７との結合長Ｌと、外部Ｑ（Ｑｅ）との関係を示している。この計算条件は次の通りである。
【００２７】

図７より明らかなように、Ｑｅは上記結合長Ｌが約１．３ｍｍのとき最低となるが、このときの結合長Ｌは、３／４波長共振器の開放端から１／２波長だけ戻った位置に相当し、この位置で共振器の電界が最大となるためである。このように導波管と共振器との結合長ＬによってＱｅの設定を行う。
【００２８】
導波管と共振器との結合長Ｌは、図７に示したように、結合長Ｌは、０≦Ｌ≦共振器長の範囲に定めれば、Ｑｅの値が小さな範囲で、且つＱｅが大きく変化しない範囲で、Ｑｅの調整（設定）が容易に行える。
【００２９】
図８はこのフィルタの通過特性および反射特性を示す図である。得られた特性は次の通りである。
【００３０】
中心周波数：３８．１ＧＨｚ
通過帯域幅：５００ＭＨｚ
通過帯域内挿入損失：２．２ｄＢ
ｆｏ±１．１ＧＨｚでの減衰量：５０ｄＢ以上
なお、共振器の無負荷Ｑは３／４波長共振器が８２０、１波長共振器が７９０であった。
【００３１】
図７・図８に示した特性を得たフィルタの入出力段の共振器は３／４波長共振器、入出力段以外の共振器は１波長共振器としたが、入出力段を（２ｎ−１）／４共振器（ｎ：１以上の整数）とし、入出力段以外の共振器を（２ｎ−１）／２波長共振器（ｎ：１以上の整数）として構成してもよい。
【００３２】
なお、図５および図６に示したフィルタの構造は、誘電体板の両面に互いに対向するスロットを形成したＰＤＴＬ（Ｐｌａｎａｒ Ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ Ｌｉｎｅ）と導波管との接続構造に、同様に適用できる。また導波管を入出力とするＰＤＴＬを含む装置として適用できる。
【００３３】
次に、第６の実施形態に係るフィルタの構成を図９を参照して説明する。
このフィルタは、ちょうど図４に示したフィルタにおける導波管部分をＮＲＤガイドに代えたものに相当する。すなわち上下の導体板９の間に誘電体ストリップ８を挟み込むようにして、ＮＲＤガイドを構成している。誘電体板１に設けた共振器の構成は図４に示したものと同様である。誘電体板１に構成した矩形スロットモードの共振器の磁界成分は、上下の導体板９，９に対し垂直面に向くため、ＮＲＤガイドのＬＳＭモードと結合する。
【００３４】
上記誘電体板１の両端部に構成した電極開口部の開口幅（開放端の幅）は、共振器とＮＲＤガイドとの最適なＱｅが得られるように定める。
【００３５】
このように誘電体板に構成した共振器をＮＲＤガイドに直接結合させるようにしても、入出力線路による導体損の発生がなく、フィルタの挿入損失特性が改善できる。
【００３６】
次に、第７の実施形態に係る、マルチプレクサの一例であるデュプレクサの構成例を図１０を参照して説明する。
図１０は、回路基板１０に対してデュプレクサを実装した状態における、誘電体板１の面に垂直な面での断面図である。誘電体板１の両面には電極２，３を形成するとともに、互いに対向する電極開口部４ａ〜４ｈ，５ａ〜５ｈをそれぞれ設けている。これらの電極開口部のうち４ａ〜４ｄ，５ａ〜５ｄによる４つの共振器は送信フィルタを構成し、残る電極開口部４ｅ〜４ｈ，５ｅ〜５ｈによる４つの共振器は受信フィルタを構成する。電極開口部４ａ，５ａ部分の共振器は送信系導波管に直接結合し、電極開口部４ｈ，５ｈによる共振器は受信系導波管に直接結合する。また、電極開口部４ｄ，５ｄによる共振器と電極開口部４ｅ，５ｅによる共振器は、それぞれアンテナ系導波管に直接結合する。さらに、送信系導波管は回路基板１０に設けたマイクロストリップライン１１に結合し、受信系導波管は同じく回路基板上に形成したマイクロストリップライン１２に結合する。
【００３７】
このようにして、入出力を導波管で行うようにしたデュプレクサを構成する。
【００３８】
次に、第８の実施形態に係る通信装置の構成を図１１を基に説明する。
ここで、デュプレクサは、送信フィルタと受信フィルタとから成り、図１０に示した構造のデュプレクサを用いる。送信回路および受信回路は図１０に示した回路基板１０に構成する。デュプレクサの送信信号入力ポートは図１０におけるマイクロストリップライン１１に相当し、受信信号出力ポートは図１０におけるマイクロストリップライン１２に相当する。さらにアンテナポートは図１０におけるアンテナ系導波管に相当する。また、送信回路および受信回路には、それぞれ帯域通過フィルタを備えていて、これらのフィルタには、図１〜図５に示した構造のフィルタを用いる。
【００３９】
このようにして、小型で且つ所定の特性を有するフィルタまたはデュプレクサを用いることにより、全体に小型軽量化した通信装置を得る。
【００４０】
【発明の効果】
この発明によれば、共振器の励振用線路としてマイクロストリップラインやサスペンデッドラインなどの入出力線路を用いた場合の、入出力線路による導体損の問題および導波管やＮＲＤガイドとの接続性の問題を解消したフィルタ、マルチプレクサ、およびそれらを備えた通信装置が得られる。
【００４３】
また、この発明によれば、前記誘電体板に垂直な方向に前記導波管の電磁波伝搬方向を向けることにより、フィルタ部分を構成する誘電体板の取り付け部と導波管との接続性および実装性が向上する。
【００４４】
また、この発明によれば、電極開口部の長さ方向の一方の端部から他方の端部までの範囲内で、その電極開口部を導波管に挿入することにより、所定の外部Ｑ（Ｑｅ）が容易に得られる。
【００４５】
また、この発明によれば、導波管の端面から誘電体板の電極面までのバックショート量を共振器の磁界最大付近に合わせることによって、特性の安定化したフィルタが得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施形態に係るフィルタの構成を示す図
【図２】第２の実施形態に係るフィルタの構成を示す図
【図３】第３の実施形態に係るフィルタの構成を示す図
【図４】第４の実施形態に係るフィルタの構成を示す図
【図５】第５の実施形態に係るフィルタの構成を示す図
【図６】同フィルタの分解斜視図
【図７】同フィルタにおける導波管と共振器との結合長Ｌと、Ｑｅとの関係を示す図
【図８】同フィルタの通過特性および反射特性を示す図
【図９】第６の実施形態に係るフィルタの構成を示す図
【図１０】第７の実施形態に係るデュプレクサの構成を示す図
【図１１】第８の実施形態に係る通信装置の構成を示すブロック図
【符号の説明】
１−誘電体板
２，３−電極
４，５−電極開口部
６−パッケージ
６１−パッケージベース
６２−パッケージカバー
７−導波管
８−誘電体ストリップ
９−導体板
１０−回路基板
１１，１２−マイクロストリップライン

Claims (5)

1. 誘電体板の両面に当該誘電体板を挟んで互いに対向する複数の電極開口部を有する電極を設けることによって、当該電極開口部に構成した複数の共振器と、当該複数の共振器の両端の共振器に直接結合する導波管とから成るフィルタにおいて、
   前記誘電体板の電極形成面に垂直な方向で且つ前記複数の共振器の配列方向に垂直な方向へ前記導波管の電磁波伝搬方向を向けるとともに、前記誘電体板の端部に構成した前記両端の共振器を前記導波管内に突出させたことを特徴とするフィルタ。
2. 前記電極開口部の長さ方向の一方の端部から他方の端部までの範囲内で、当該電極開口部を前記導波管に挿入した請求項１に記載のフィルタ。
3. 前記導波管に直接結合する前記共振器の共振波長を（２ｎ−１）／４（ｎは１以上の整数）とし、当該共振器を成す前記電極開口部の長さ方向に、共振波長の（ｍ−１）／２（ｍは２〜ｎの整数）だけ、当該電極開口部を前記導波管に挿入した請求項２に記載のフィルタ。
4. 請求項１〜３のうちいずれかに記載のフィルタを複数設けて成るマルチプレクサ。
5. 請求項１〜３のうちいずれかに記載のフィルタまたは請求項４に記載のマルチプレクサを設けて成る通信装置。

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