JP3759693B2

JP3759693B2 - ノイズフィルタおよびそれを用いた高周波送信機

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Publication number: JP3759693B2
Application number: JP2000375937A
Authority: JP
Inventors: 仁新田
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 2000-12-11
Filing date: 2000-12-11
Publication date: 2006-03-29
Anticipated expiration: 2020-12-11
Also published as: US6621382B2; US20020070824A1; JP2002185211A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明はノイズフィルタおよびそれを用いた高周波送信機に関し、特に、基板に配設されたマイクロストリップラインにより形成されるノイズフィルタとこれを送信電力アンプの出力側に備えた高周波送信機に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、高周波を用いた無線通信市場は、放送衛星，通信衛星など多くのシステムで飛躍的な発展を遂げている。それと同時に、インターネットの発達により双方向通信の需要が日を追って高まってきている。衛星通信における双方向通信は、受信は従来と同様にＬＮＢ（LOW NOISE BLOCKDOWN CONVERTER）で行なわれ、送信は新たに高周波送信機（トランスミッタ）を用いることにより実現される。
【０００３】
図８は従来の高周波送信機の構成を示すブロック図であり、図９は従来の高周波送信機に用いる受信帯域ノイズフィルタの形状を示す図であり、図１０は従来の受信帯域ノイズフィルタのシミュレーション結果を示す図である。
【０００４】
次に、図８〜図１０を参照して、従来例の高周波送信機について説明する。図８に示す高周波送信機へ入力されたＩＦ（中間周波数）信号はＩＦアンプ１で利得が確保された後、ミキサ回路２へ入力される。ミキサ回路２では局部発振回路３からの局部発振信号とＩＦ信号とがミキシングされ、ＩＦ信号が高周波信号に周波数変換される。ミキサ回路２から出力される高周波信号は、ミキサ回路２で発生するスプリアスを減衰させるバンドパスフィルタ４を介した後、３つの高周波アンプ５，６および７で構成される回路で大きなゲインが得られる。
【０００５】
高周波アンプ７の出力は増幅されたスプリアスを減衰させるバンドパスフィルタ８を介して高周波アンプ９へ入力され、続くドライバアンプ１０と合わせてさらに利得が稼がれる。ドライバアンプ１０の出力は受信周波数帯域のノイズレベルを雑音レベル程度まで抑える受信帯域ノイズフィルタ１１を介してパワーアンプ１２に入力され、衛星に送信するために必要な高い電力の信号となる。パワーアンプ１２から出力される高周波信号は、パワーアンプ１２のゲインによって熱雑音レベルから上昇している受信周波数帯域のノイズレベルを再び減衰させる受信帯域ノイズフィルタ１３およびＲＦ出力と受信帯域ノイズフィルタ１３の間のアイソレーションを確保するアイソレータ１４を介して高周波送信機（図示せず）から出力される。
【０００６】
ここで、受信帯域ノイズフィルタ１１および１３には、図９に示すように、一方端に入力信号が与えられ、他方端から信号が出力される主マイクロストリップライン１５と、この主マイクロストリップライン１５に直交するように順次併設された３つの副マイクロストリップライン１６，１７および１８で形成されるマイクロストリップフィルタを用いるのが一般的である。
【０００７】
この形状のフィルタを用いる理由は、受信周波数帯域に対して大きな減衰量を得られるのと同時に、送信周波数帯域のロスが１ｄＢ程度と低く抑えられることにある。パワーアンプ１２の後段に配置される受信帯域ノイズフィルタ１３の送信周波数帯域のロスが大きい場合、パワーアンプ１２に出力パワーの大きいタイプ（飽和電力が大きいタイプ）を選択する必要がある。出力パワーが大きいパワーアンプは消費電力も大きく、発熱も多くなるため、高周波送信機全体の形状を放熱のために多くしなければならず、小型，低消費電力という普及のための条件に逆行する結果となってしまう。このことから送信周波数帯域のロスが小さい図９に示すような形状のフィルタが用いられている。
【０００８】
図９に示したフィルタの信号通過特性は、図１０に示すシミュレーション結果により示されている。図１０から送信周波数１４〜１４．５ＧＨｚ，受信周波数１０．９５〜１２．７５ＧＨｚで最適化されており、送信周波数のロスは約１ｄＢ，受信周波数の減衰量は２５ｄＢ以上得ている。
【０００９】
パワーアンプ１２へ入力される受信周波数帯域のノイズレベルがバンドパスフィルタ４，８および受信帯域ノイズフィルタ１１の減衰により、熱雑音レベル（−１７３．５ｄＢｍ／Ｈｚ（２５℃））まで下がっている場合、パワーアンプ１２の小信号利得２０ｄＢ、ノイズフィギャア７ｄＢであるとき、パワーアンプ１２から出力される受信周波数帯域のノイズレベルは−１７３．５＋２０＋７＝−１４６．５ｄＢｍ／Ｈｚまで上昇してしまう。しかしながら、このレベルは図９および図１０の形状，特性を持つ受信帯域ノイズフィルタ１３へ入力されることで、−１４６．５−２５＝−１７１．５ｄＢｍ／Ｈｚまで抑制される。一般的な高周波送信機の受信帯域ノイズレベルの仕様は、−１６５ｄＢｍ／Ｈｚ以下程度であり、受信帯域ノイズフィルタ１３の効果により、仕様が満たされることが確認できる。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
最近の開発動向では、一般家庭への高周波送信機の普及をめざし、低コスト化および小型化を進める動きがあり、パワーアンプに小信号利得が３５ｄＢ程度の高利得タイプの採用が進んでいる。高利得タイプのパワーアンプを用いることで、ドライバアンプおよび高周波アンプなどの素子が不要となり、コスト削減および小型化に寄与する。
【００１１】
しかしながら、パワーアンプの小信号利得が増えることは、受信周波数帯域のノイズレベルの上昇幅を大きくし、受信帯域ノイズレベルの仕様を満たすことができなくなるという問題がある。
【００１２】
図８に示したパワーアンプ１２について、小信号利得が３５ｄＢのパワーアンプ１９に置換えた場合を想定する。パワーアンプ１９へ入力される受信周波数帯域のノイズレベルが熱雑音レベル（−１７３．５ｄＢｍ／Ｈｚ（２５℃））まで下がっている場合、パワーアンプ１９の小信号利得３５ｄＢ，ノイズフィギャア７ｄＢであるとき、パワーアンプ１９から出力される受信周波数帯域のノイズレベルは−１７３．５＋３５＋７＝−１３１．５ｄＢｍ／Ｈｚまで上昇してしまう。図９および図１０に示した形状および特性を有する受信帯域ノイズフィルタ１３へ信号を入力することで、−１３１．５−２５＝−１５６．５ｄＢｍ／Ｈｚまで抑制されるが、このレベルでは一般的な高周波送信機の受信帯域ノイズレベルの仕様−１６５ｄＢｍ／Ｈｚを満たすことができない。
【００１３】
それゆえに、この発明の主たる目的は、受信周波数帯域の減衰量が大きいノイズフィルタおよびそれを用いた高周波送信機を提供することである。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
この発明は基板に配設されたマイクロストリップラインにより形成されるノイズフィルタにおいて、その一方端に入力信号が与えられ、その他方端から信号が出力される主マイクロストリップラインと、この主マイクロストリップラインと交差し、その交差部から両端までの長さがそれぞれ異なるように順次併設された少なくとも第１から第５の副マイクロストリップラインとを含むことを特徴とする。
【００１５】
これにより、主マイクロストリップラインに対して少なくとも第１から第５の副マイクロストリップラインを交差して配置することにより受信周波数帯域の減衰量を大きくできる。
【００１６】
また、第１から第５の副マイクロストリップラインは略長方形の形状に形成される。
【００１７】
これにより、フィルタの周波数選択度が向上し、周波数分解能を高くできる。また、第１から第５の副マイクロストリップラインの線幅はすべて同じ所定の長さに形成される。
【００１８】
これにより、すべての副マイクロストリップラインのＱ値を同じにすることができ、また要求する信号の通過帯域幅や減衰帯域の周波数帯域幅に応じて線幅を最適化することにより、減衰帯域において大きな減衰量と通過帯域において平坦度に優れ、通過損失の小さいフィルタとすることができる。
【００１９】
さらに、副マイクロストリップラインのそれぞれがすべて同じ所定の間隔で略平行に配設することにより、副マイクロストリップライン間の高周波的結合を防ぎ、フィルタとしての特性劣化を防ぐことが可能となる。
【００２０】
第１から第５の副マイクロストリップラインのうち第１，第３および第５の副マイクロストリップラインを主マイクロストリップラインに対して略直交一方向にずらして配設し、第２および第４の副マイクロストリップラインを主マイクロストリップラインに対して略直交他方向にずらして配設することにより、隣り合う副マイクロストリップライン同士の結合度を避けることができ、フィルタとしての特性劣化を防ぐことができる。
【００２１】
さらに、第３の副マイクロストリップラインを中心にして第１および第２の副マイクロストリップラインと、第４および第５の副マイクロストリップラインとを線対称に配設することにより、第１および第２の副マイクロストリップラインと第４および第５の副マイクロストリップラインが同じ長さとなり、同一の周波数に共振点が重なり合うことで減衰帯域においてより大きな減衰量を得ることが可能になる。
【００２２】
主マイクロストリップラインを第１および第５の副マイクロストリップラインとのそれぞれの交差部を境とし、この交差部から一方端と他方端部分とを比較して第１の副マイクロストリップラインと第５の副マイクロストリップラインまでの間が太くなるようにその線幅を設定することにより、主マイクロストリップラインの誘導性を抑制でき、高周波帯域でのインピーダンスが低下し、ノイズフィルタの通過帯域における挿入損失を押さえることができる。
【００２３】
さらに、主マイクロストリップラインは第１から第５の副マイクロストリップラインとのそれぞれの交差部を境とし、一方端と他方端部分から第３の副マイクロストリップラインに近づくに従って太くなるようにそれらの線幅を設定することにより、主マイクロストリップラインの誘導性を抑制でき、高周波帯域でのインピーダンスが低下すると同時に、一方端と他方端部分の線幅から線幅を太くすることによる線幅の不連続部分でのインピーダンスの不整合を軽減し、ノイズフィルタの通過帯域における挿入損失を抑えることができる。
【００２４】
さらに、第３の副マイクロストリップラインの線長を変えることにより、通過周波数帯域を所望する帯域に設定できる。
【００２５】
さらに、このように構成されたノイズフィルタは、通過帯域における挿入損失が小さくまた、アイソレータなしで送信出力における出力ＶＳＷＲ特性を確保でき、アイソレータの挿入損失分も省くことができるため、パワーアンプの出力パワーへの負担が少なくて済み、放熱やシャーシ形状で有利になる。
【００２６】
さらに、ノイズフィルタの副マイクロストリップラインの線長を調整することにより高周波送信機の出力リターンロスを改善できる。
【００２７】
【発明の実施の形態】
図１はこの発明の一実施形態の高周波送信機のブロック図である。図１において、入力されたＩＦ信号はＩＦアンプ１で利得が確保された後、ミキサ回路２に入力される。ミキサ回路２では局部発振回路３からの局部発振信号とＩＦ信号をミキシングし、ＩＦ信号が高周波信号に周波数変換される。ミキサ回路２から出力される高周波信号は、ミキサ回路２で配設するスプリアスを減衰させるバンドパスフィルタ４を介して３つの高周波アンプ５，６および７で構成される回路で大きなゲインが得られる。
【００２８】
高周波アンプ７の出力は増幅されたスプリアスを減衰させるバンドパスフィルタ８を介して高周波アンプ９へ入力される。高周波アンプ９の出力はノイズレベルを雑音レベル程度まで抑える受信帯域ノイズフィルタ１１を介してパワーアンプ１９へ入力される。パワーアンプ１９は小信号利得が３５ｄＢの高利得タイプであり、このために前述の図８に示したドライバアンプ１０のゲインは必要なく、ドライバアンプを用いていない。パワーアンプ１９から出力される高周波信号は、パワーアンプ１９のゲインによって熱雑音レベルから上昇している受信周波数帯域のノイズレベルを再び抑制する受信帯域ノイズフィルタ２０および出力と受信帯域ノイズフィルタの間のアイソレーションを確保するアイソレータ１４を介して高周波送信機から出力される。
【００２９】
図２は図１に示した受信帯域ノイズフィルタの形状を示す図であり、図３および図４は受信帯域ノイズフィルタのシミュレーション結果を示す図である。
【００３０】
受信帯域ノイズフィルタ２０は、図２に示すように、主マイクロストリップライン２１の一端に入力信号が与えられ、他端側から信号が出力される。この主マイクロストリップライン２１と交差し、その交差部から両端部までの長さがそれぞれ異なるように順次併設された少なくとも５本の第１から第５の副マイクロストリップライン２２，２３，２４，２５および２６が形成されてマイクロストリップフィルタが構成されている。
【００３１】
この受信帯域ノイズフィルタ２０は副マイクロストリップライン２２，２３，２４，２５および２６が略長方形の形状で形成され、副マイクロストリップライン２２，２３，２４，２５および２６の線幅はすべて同じ所定の長さに形成される。また、副マイクロストリップライン２２，２３，２４，２５および２６はそれぞれがすべて所定の間隔で略平行に配設される。
【００３２】
さらに、副マイクロストリップライン２２，２３，２４，２５および２６は主マイクロストリップライン２１と略直交して配設され、第１，第３および第５の副マイクロストリップライン２２，２４および２６は主マイクロストリップライン２１に対して略垂直一方向にずらして配設され、第２および第４の副マイクロストリップライン２３および２５は主マイクロストリップライン２１に対して略直交他方向にずらして配設される。
【００３３】
さらに、第１から第５の副マイクロストリップライン２２，２３，２４，２５および２６は副マイクロストリップライン２４を中心にして、副マイクロストリップライン２２および２３と、副マイクロストリップライン２５および２６とが線対称に配設される。さらに、主マイクロストリップライン２１は副マイクロストリップライン２２，２３，２４，２５および２６とのそれぞれの交差部を境とし、入力信号が与えられる一端部分と信号が出力される他端部分から副マイクロストリップライン２４に近づくに従って太くなるようにそれらの線幅が設定される。
【００３４】
このように構成された受信帯域ノイズフィルタ２０は副マイクロストリップライン２４の線長を長くすることによって、図４に示す実線から点線へ帯域が低い周波数へシフトでき、また逆に線長を短くすることによって帯域が高い周波数へシフトでき、希望する帯域に設定できる。
【００３５】
図３に、図２に示した受信帯域ノイズフィルタ２０の信号通過特性のシミュレーション結果を示す。図３において、送信周波数１４〜１４．５ＧＨｚ，受信周波数１０．９５〜１２．７５ＧＨｚで最適化されており、送信周波数のロスは０．８５ｄＢ以下であり、受信周波数の減衰量は３５ｄＢ以上得ている。従来例の受信帯域ノイズフィルタのシミュレーション結果の図９と比べて受信周波数の減衰量は２５ｄＢから３５ｄＢへ１０ｄＢ向上している。このときの受信周波数帯域のノイズレベルは以下のとおり計算される。
【００３６】
パワーアンプ１９へ入力される受信周波数帯域のノイズレベルがバンドパスフィルタ４，８および受信帯域ノイズフィルタ１１の減衰により、熱雑音レベル（−１７３．５ｄＢｍ／Ｈｚ（２５℃））まで下がっている場合、パワーアンプ１９の小信号利得３５ｄＢ，ノイズフィギャア７ｄＢであるとき、パワーアンプ１９から出力される受信周波数帯域のノイズレベルは−１７３．５＋３５＋７＝−１３１．５ｄＢｍ／Ｈｚまで上昇してしまう。しかしながら、このレベルは図２に示す形状および図３に示す特性を持つ受信帯域ノイズフィルタ２０を介することで、−１３１．５−３５＝−１６６．５ｄＢｍ／Ｈｚまで抑制される。一般的な高周波送信機の受信帯域ノイズレベルの仕様は−１６５ｄＢｍ／Ｈｚ以下程度であり、受信帯域ノイズフィルタ２０を置換えることにより仕様を満たすことができるようになることが確認できる。
【００３７】
図５はこの発明の他の実施形態を示す高周波送信機のブロック図である。この図５に示した実施形態は、図１に示したアイソレータ１４を省いた構成となっている。アイソレータ１４を省くことにより、部品のコストダウンを実現できる。また、アイソレータ１４での送信信号のインサーションロス（挿入損失）がなくなり、パワーアンプ１９の出力パワーを小さくでき、放熱およびシャーシ形状で有利になる。
【００３８】
しかしながら、アイソレータはＲＦ出力とパワーアンプ１９の間のアイソレーションを確保する役割を果たしており、アイソレータがなくなることでパワーアンプ１９の出力リターンロスの特性が高周波送信機の出力リターンロスに大きく影響するようになる。
【００３９】
図６はパワーアンプ１９単体のＳパラメータ特性を示す図である。送信周波数帯域（１４〜１４．５ＧＨｚ）での出力リターンロスＳ２２は最悪値で−１１．３ｄＢとなる。
【００４０】
一般に、高周波送信機の出力リターンロスのスペックは−７〜−１５ｄＢ程度であり、図６の特性では満たすことが難しい。このとき、パワーアンプ１９の出力側に配置される受信帯域ノイズフィルタ２０の形状および寸法を調整，最適化することにより、高周波送信機の出力リターンロスを改善することができる。
【００４１】
図７は受信帯域ノイズフィルタ２０の寸法を最適化した場合の、パワーアンプ１９＋受信帯域ノイズフィルタ２０のＳパラメータ特性を示す。図７において、通過特性（Ｓ２１）では受信帯域（１０．９５〜１２．７５ＧＨｚ）での利得を大きく抑えかつ送信帯域での出力リターンロス（Ｓ２２）の最悪値は−１６．３ｄＢとパワーアンプ単体の場合よりも５ｄＢ改善している。このように、受信帯域ノイズフィルタ２０の調整により、アイソレータなしでも高周波送信機の出力リターンロスを改善することができる。
【００４２】
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【００４３】
【発明の効果】
以上のように、この発明によれば、主マイクロストリップラインに対して少なくとも５本の副マイクロストリップラインを交差させ、副マイクロストリップラインの交差部から両端までの長さがそれぞれ異なるように順次配設することにより、受信周波数帯域の減衰量を大きくでき、さらにフィルタの周波数選択度が向上し、周波数分解能を高くすることができる。
【００４４】
また、このようなノイズフィルタを高周波送信信号を増幅する送信電力のアンプの出力側に接続することにより、受信周波数帯域ノイズレベルを低減できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の一実施形態の高周波送信機のブロック図である。
【図２】この発明の実施形態に用いる受信帯域ノイズフィルタの形状を示す図である。
【図３】図２に示した受信帯域ノイズフィルタのシミュレーション結果を示す図である。
【図４】同じく受信帯域ノイズフィルタのシミュレーション結果を示す図である。
【図５】この発明の他の実施形態の高周波送信機のブロック図である。
【図６】この発明の他の実施形態のシミュレーション結果を示す図である。
【図７】この発明の他の実施形態のシミュレーション結果を示す図である。
【図８】従来の高周波送信機の構成を示すブロック図である。
【図９】従来の高周波送信機に用いる受信帯域ノイズフィルタの形状を示す図である。
【図１０】従来の高周波送信機に用いる受信帯域ノイズフィルタのシミュレーション結果を示す図である。
【符号の説明】
１アンプ、２ミキサ回路、３局部発振回路、４バンドパスフィルタ、５，６，７高周波アンプ、８バンドパスフィルタ、９高周波アンプ、１１受信帯域ノイズフィルタ、１４アイソレータ、１９パワーアンプ、２０受信帯域ノイズフィルタ、２１主マイクロストリップライン、２２，２３，２４，２５，２６副マイクロストリップライン。

Claims

基板に配設されたマイクロストリップラインにより形成されるノイズフィルタにおいて、
その一方端に入力信号が与えられ、その他方端から信号が出力される主マイクロストリップラインと、
前記主マイクロストリップラインと交差して順次併設された少なくとも第１から第５の副マイクロストリップラインとを含み、
前記少なくとも第１から第５の副マイクロストリップラインの各々は、一方端と他方端間の略中央の交差部で前記主マイクロストリップラインと交差し、前記交差部から前記一方端までの長さと前記交差部から前記他方端までの長さが異なるように配置され、
前記少なくとも第１から第５の副マイクロストリップラインは、前記主マイクロストリップラインと略直交して配設されており、前記第１，第３および第５の副マイクロストリップラインは前記主マイクロストリップラインに対して略直交する一方向にずらして配設され、前記第２および第４の副マイクロストリップラインは前記主マイクロストリップラインに対して略直交する他方向にずらして配設され、
前記主マイクロストリップラインは、前記第１および第５の副マイクロストリップラインとのそれぞれの２つの交差部を境として線幅が変化し、前記２つの交差部の間の部分が他の部分よりも太くなるようにその線幅が設定されていることを特徴とする、ノイズフィルタ。
基板に配設されたマイクロストリップラインにより形成されるノイズフィルタにおいて、
その一方端に入力信号が与えられ、その他方端から信号が出力される主マイクロストリップラインと、
前記主マイクロストリップラインと交差して順次併設された少なくとも第１から第５の副マイクロストリップラインとを含み、
前記少なくとも第１から第５の副マイクロストリップラインの各々は、一方端と他方端間の略中央の交差部で前記主マイクロストリップラインと交差し、前記交差部から前記一方端までの長さと前記交差部から前記他方端までの長さが異なるように配置され、
前記少なくとも第１から第５の副マイクロストリップラインは、前記主マイクロストリップラインと略直交して配設されており、前記第１，第３および第５の副マイクロストリップラインは前記主マイクロストリップラインに対して略直交する一方向にずらして配設され、前記第２および第４の副マイクロストリップラインは前記主マイクロストリップラインに対して略直交する他方向にずらして配設され、
前記主マイクロストリップラインは、少なくとも前記第１から第５の副マイクロストリップラインとのそれぞれの交差部を境として各部分の線幅が変化し、前記一方端および他
方端から前記第３の副マイクロストリップラインに近づくに従って次第により太くなるように各部分の線幅が設定されていることを特徴とする、ノイズフィルタ。
前記少なくとも第１から第５の副マイクロストリップラインは、それぞれが略長方形の形状に形成されていることを特徴とする、請求項１または２に記載のノイズフィルタ。
前記少なくとも第１から第５の副マイクロストリップラインは、同じ長さであ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ノイズフィルタ。
少なくとも前記第１から第５の副マイクロストリップラインは、それぞれがすべて同じ所定の間隔で略平行に配設されてい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ノイズフィルタ。
前記少なくとも第１から第５の副マイクロストリップラインは、前記第３の副マイクロストリップラインに対して第１および第２の副マイクロストリップラインと、前記第４および第５の副マイクロストリップラインとが線対称に配置されていることを特徴とする、請求項１から５のいずれかに記載のノイズフィルタ。
前記第３の副マイクロストリップラインの線長は、通過周波数帯域を所望の帯域に設定するように定められ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ノイズフィルタ。
高周波送信信号を増幅する送信電力アンプの出力側に前記請求項１から７のいずれかに記載のノイズフィルタを備えたことを特徴とする、高周波送信機。
前記ノイズフィルタの副マイクロストリップラインの線長を調整することにより高周波送信機の出力リターンロスを改善することを特徴とする、請求項８に記載の高周波送信機。