JP4125842B2 - 高周波フィルタ - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、通信システムなどの高周波信号処理装置に用いられる高周波フィルタに関する。
【０００２】
【従来の技術】
高周波通信システムにおいては、フィルタ、分波器などをはじめとする共振器を基本に構成される高周波回路素子は不可欠の要素である。特に、移動体通信システムなどにおいては、周波数帯域の有効利用のために、狭帯域なフィルタが要求される。また、移動体通信の基地局や通信衛星などにおいては、低損失でかつ小型で、大きな電力に耐えることのできるフィルタが強く要望されている。
【０００３】
現在用いられている共振器フィルタなどの高周波回路素子としては、誘電体共振器を用いたもの、伝送線路構造を用いたもの、表面弾性波素子を用いたものなどが主流となっている。このうち、伝送線路構造を用いたものは、小型で、マイクロ波、ミリ波領域の高周波まで適用することができ、さらに、基板上に形成する２次元的な構造であり、他の回路や素子との組み合わせが容易であるため、広く利用されている。従来、このタイプの共振器としては、伝送線路による１／２波長共振器が最も一般的に利用されており、さらに、この１／２波長共振器を複数個結合させることにより、フィルタなどの高周波回路素子が構成されている。
【０００４】
また、他の従来例として、平面回路構造を用いたものがある。その代表例としては、円板共振器を複数個並べたもの、あるいは、円板型共振器の外周の一部に突起部を設けてダイポールモードを結合させることにより、フィルタ特性を発揮させるものなどがある（『Low Loss Multiplexers with Planar Dual Mode HTS Resonators』 IEEE Trans actions on Microwave Theory and Techniques, Vol.44, No.7, pp.1248-1257, 『電子情報通信学会技術研究報告, 1993, Vol.93, No.363(SCE93 47-56)永井靖浩他』, 電子通信学会論文誌， 72/8 Vol.55-B No.8『マイクロ波平面回路の解析的取扱い(Analysis of Microwave Planar Circuit)』三好旦六、大越孝敬）。その他の従来例として、特開平６ - ０３７５０４号公報（特に図６）を挙げることができる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、１／２波長共振器等の伝送線路構造の共振器では、導体中における高周波電流が部分的に集中するために、導体の抵抗による損失が比較的大きく、共振器ではＱ値の劣化、フィルタを構成した場合には損失の増加を招いてしまう。また、通常よく利用されるマイクロストリップ線路構造の１／２波長共振器を用いた場合には、回路から空間への放射による損失の影響も問題となる。
【０００６】
これらの影響は、構造を小型化したり、動作周波数を高くすると、さらに顕著になる。損失が比較的小さく、耐電力性に優れた共振器としては、誘電体共振器が利用されている。しかし、誘電体共振器は立体構造を有しており、かつ、サイズが大きいために、高周波回路素子の小型化にとっては問題である。
【０００７】
また、超伝導体を利用することにより、これら高周波回路素子の低損失化を図ることも可能である。しかし、上記した従来の構造のものでは、電流の過度の集中によって超伝導性が失われるために、大きな電力の信号を利用することは困難である。実際の測定例でも、最大入力電力は数十ｍＷ程度であり、実用的なレベルには達していない。
【０００８】
また、円板共振器に代表される平面回路共振器を用いたフィルタは、電流分布が広い面積にわたって均一となるため、優れた耐電力性能を有すると言われている。しかし、円板共振器を複数個並べたものは、素子面積が非常に大きくなり、急峻なスカート特性を実現するために多段構成とする場合に特に深刻な問題となる。また、外周の一部に突起部を設けたタイプの平面回路構造の共振器フィルタの場合には、３段以上の多段構成とするための簡易な方法がなかった。
【０００９】
以上のようなことから、マイクロ波、ミリ波領域の高周波領域において他の回路や素子との整合性が良く、かつ、高性能な小型の共振器フィルタ等の高周波回路素子を２次元的な構造で実現するためには、伝送線路構造や平面回路構造の共振器が有するこのような問題を解決することが極めて重要である。
【００１０】
本発明は、従来技術における前記課題を解決するためになされたものであり、低損失で、耐電力性に優れ、かつ、急峻なスカート特性をも実現することのできる高性能な高周波フィルタを提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成する本発明に係る高周波フィルタは、
それぞれ２つの直交した共振モードを有し、順番に結合したｎ個（ｎは２以上の整数）の平面回路共振器と、金属からなる直線状の２つの結合端子とを備えた高周波フィルタであって、
前記２つの結合端子が第１番目の前記平面回路共振器が有する２つの共振モードとそれぞれ容量結合しており、
第ｎ番目の平面回路共振器が有する２つの共振モード間に結合を生じさせる手段が備わっており、
前記高周波フィルタは、誘電体からなる基板と、前記基板の表面上に形成された金属からなるｎ個のストリップ導体と、前記基板の裏面上に形成された導体膜からなるグランドプレーンとからなり、
前記各平面回路共振器は、前記基板の表面に形成された各前記ストリップ導体と、前記基板の裏面に形成された前記グランドプレーンとから構成され、
ｎ個の前記ストリップ導体が距離ｄの間隙部を介して直線状に配置され、
ｎ個の前記ストリップ導体のうちの一端部に位置する第１番目のストリップ導体の輪郭上において、前記第１番目のストリップ導体の中心から見て、前記第１番目のストリップ導体に隣接する第２番目のストリップ導体と反対側の位置に第１の結合端子が結合され、前記第１の結合端子の結合位置とほぼ９０゜ずれた位置に第２の結合端子が結合され、
第ｎ番目の平面回路共振器が有する２つの共振モード間に結合を生じさせる手段は、
（ａ） 前記２つの共振モードのうち一方の共振モードと他方の共振モードとの分極方向に対して４５°の方向に長軸を有する楕円形状を有する第ｎ番目のストリップ導体
（ｂ） 前記２つの共振モードのうち一方の共振モードと他方の共振モードとの分極方向に対して４５°の方向に突起部を有する第ｎ番目のストリップ導体、または
（ｃ） 前記２つの共振モードのうち一方の共振モードと他方の共振モードとの分極方向に対して４５°の方向に切り掻き部を有する第ｎ番目のストリップ導体
のいずれかであり、
前記距離ｄの間隙部を挟んで隣接する２つの前記平面回路共振器が有する共振モードのうち、前記直線状の第１の結合端子に平行な共振モードの結合係数ｋｈと、前記直線状の第２の結合端子に平行な共振モードの結合係数ｋｐとが一致するように、距離ｄが設定されている。
前記第１番目のストリップ導体の形状が円板形状あるいは楕円形状であることが好ましい。
周囲が導体壁によって包囲されていることが好ましい。
前記平面回路共振器の導体材料として超伝導材料を用いられていることが好ましい。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、実施の形態を用いて本発明をさらに具体的に説明する。
【００１９】
〈第１の実施の形態〉
図１は本発明の第１の実施の形態における高周波フィルタを示す平面図、図２はその断面図である。
【００２０】
図１、図２に示すように、誘電体単結晶などからなる基板１の表面上には、真空蒸着、エッチングなどの適当な方法によって複数の例えば円板形状あるいは楕円形状の第１、第２及び第３のストリップ導体２ａ、２ｂ及び２ｃが形成されている。そして、これらの第１、第２及び第３のストリップ導体２ａ、２ｂ及び２ｃは、間隙部５ａ、５ｂを介して直線状に配置されている。また、基板１の裏面上には、その全面にグランドプレーン３が形成されている。この構成において、第１、第２及び第３のストリップ導体２ａ、２ｂ及び２ｃは、それぞれ別個の第１、第２及び第３の平面回路共振器４ａ、４ｂ及び４ｃとして動作する。また、第１のストリップ導体２ａに対しては、第１及び第２の結合端子６ａ、６ｂが設けられている。
【００２１】
第１及び第２の結合端子６ａ、６ｂは、第１の平面回路共振器４ａが有する２つの直交方向に分極した共振モード７ａ、７ｂをそれぞれ励振するような方向から第１の平面回路共振器４ａに誘導結合されている。但し、図１中の共振モードを示す矢印は共振モードの電流方向、すなわち、電気的な分極方向を示しているものとする。
【００２２】
典型的な例としては、円板共振器におけるTM11モードがこのような電気的特性を有する共振モードとなる。また、第２の平面回路共振器４ｂも２つの直交方向に分極した共振モード８ａ、８ｂを有し、第３の平面回路共振器４ｃも２つの直交方向に分極した共振モード９ａ、９ｂを有している。共振モード７ａ、８ａ、９ａは互いに分極の方向が同じとなるようにすることができ、また、共振モード７ｂ、８ｂ、９ｂも互いに分極の方向が同じとなるようにすることができる。
【００２３】
以下、上記のように構成された回路の動作について説明する。
【００２４】
第１の結合端子６ａに入力した信号は第１の平面回路共振器４ａの共振モード７ａを励振する。共振モード７ａは第２の平面回路共振器４ｂの共振モード８ａと結合する。この場合、共振モード７ａは共振モード７ｂ、８ｂとは分極の方向がほぼ直交しているので、これらの共振モード７ｂ、８ｂとの結合量は無視できる程度に非常に小さい。
【００２５】
次に、第２の平面回路共振器４ｂの共振モード８ａは第３の平面回路共振器４ｃの共振モード９ａと結合する。
【００２６】
次に、平面回路共振器４ｃにおいて、適当な方法により、共振モード９ａと共振モード９ｂとの間に結合を生じさせる。共振モード９ａと共振モード９ｂとの間に結合を生じさせる方法としては、例えば、図３（ａ）に示すように、第３のストリップ導体２ｃの形状を、共振モード９ａと共振モード９ｂの分極方向に対して４５゜の方向に長軸を有する楕円形状にしたり、図３（ｂ）、（ｃ）に示すように、その方向の輪郭部に突起部１０や切り欠き部１１などを形成する方法がある。
【００２７】
同様にして、第３の平面回路共振器４ｃの共振モード９ｂは、第２の平面回路共振器４ｂの共振モード８ｂ及び第１の平面回路共振器４ａの共振モード７ｂと順次結合し、最終的に第２の結合端子６ｂから出力される。
【００２８】
以上の過程で、第１の結合端子６ａに入力した信号は６つの共振モード７ａ、８ａ、９ａ、９ｂ、８ｂ、７ｂを介していることから、この回路は６段の共振器結合型帯域通過フィルタとして動作する。
【００２９】
〈第２の実施の形態〉
図４は本発明の第２の実施の形態における高周波フィルタを示す平面図、図５はその高周波フィルタを導体壁によって囲まれた空洞内に固定した状態を示す断面図である。
【００３０】
図４、図５に示すように、ランタンアルミナ（ＬａＡｌＯ3）単結晶などの比誘電率２４の基板１２の表面上には、真空蒸着、エッチングなどの適当な方法によって複数の楕円形状の第１及び第２のストリップ導体１３ａ、１３ｂが形成されている。そして、これらの第１及び第２のストリップ導体１３ａ、１３ｂは、間隙部１６を介してそれぞれの長軸が一直線上にくるように配置されている。また、基板１２の裏面上には、その全面に導体膜からなるグランドプレーン１４が形成されている。この構成において、第１及び第２のストリップ導体１３ａ、１３ｂは、それぞれ別個の第１及び第２の平面回路共振器１５ａ、１５ｂとして動作する。また、第１のストリップ導体１３ａに対して、第１及び第２の結合端子１７ａ、１７ｂが設けられている。
【００３１】
第１の結合端子１７ａは、第１のストリップ導体１３ａの輪郭上の、第２のストリップ導体１３ｂと反対側の位置で第１のストリップ導体１３ａに容量結合されている。また、第２の結合端子１７ｂは、同じく第１のストリップ導体１３ａの円周上の、第１の結合端子１７ａの結合位置と９０゜ずれた位置で第１のストリップ導体１３ａに容量結合されている。ここで、第１及び第２の結合端子１７ａ、１７ｂは、その先端部（第１のストリップ導体１３ａとの結合部分）の線路幅が拡げられている。これにより、第１及び第２の結合端子１７ａ、１７ｂと第１のストリップ導体１３ａとの間の結合容量を増加させて、入出力結合度を大きくすることができる。
【００３２】
第１及び第２の結合端子１７ａ、１７ｂは、伝送線路によって基板１２の縁部まで延長されており、この部分で外部導入ケーブル等と結合されている。
【００３３】
そして、図５に示すように、基板１２を導体壁２０によって囲まれた空間内に固定して、特性の検討を行った。このように基板１２を導体壁２０によって囲まれた空間内に配置すれば、第１及び第２の平面回路共振器１５ａ、１５ｂからの放射損失を防止することができるため、損失をより一層低減することができる。しかも、導体壁２０によって囲まれた空間の形状を変えることによってモード結合量をより大きな自由度で調節することが可能となる。
【００３４】
本高周波フィルタの具体的寸法を挙げれば、次のとおりである。基板１２は、その大きさ（面積）が５０．８ｍｍ×２５．４ｍｍ、厚みが１ｍｍである。第１及び第２のストリップ導体１３ａ、１３ｂは、半径７ｍｍの円形を基に、所望の特性を得るために僅かに歪ませた形状となっている。特に第２のストリップ導体１３ｂは、第２の平面回路共振器１５ｂの２つの直交方向に分極した共振モード１９ａと共振モード１９ｂとを結合させるために、図３（ａ）に示したような楕円形状となっている。また、図５に示すように、導体壁２０によって囲まれた空洞の高さは、基板１２の表面から測って１０ｍｍとなっている。
【００３５】
図６に、図４の配置における、共振モード１８ａと共振モード１９ａとの間の結合係数ｋhと間隙部１６の距離ｄとの関係、及び、共振モード１８ｂと共振モード１９ｂとの間の結合係数ｋpと間隙部１６の距離ｄとの関係を示す。図６から分かるように、間隙部１６の距離ｄの増加に対し、共振モード１８ａと共振モード１９ａとの間の結合係数ｋhは減少傾向にあり、共振モード１８ｂと共振モード１９ｂとの間の結合係数ｋpは増加傾向にある。いずれにしても、結合係数ｋh、ｋpは、間隙部１６の距離ｄの値によって制御できることが分かる。
【００３６】
図７に、第２のストリップ導体１３ｂの形状を、共振モード１９ａと共振モード１９ｂの分極方向に対して４５゜の方向に長軸を有する楕円形状に歪ませた場合の、両モード間の結合係数を示す。図７から分かるように、楕円率に対し、結合係数がほぼ比例して増加している。
【００３７】
以上のことから、各共振モード間の結合係数は、間隙部１６の距離ｄと第２のストリップ導体１３ｂの楕円率とを変化させることにより、調節できることが分かる。この結果を基に、本実施の形態においては、比帯域１％、帯域内リップル０．０１ｄＢの４段チェビシェフ型フィルタ特性を得るために、間隙部１６の距離ｄを３ｍｍ、第２のストリップ導体１３ｂの楕円率を０．９％に設定した。図８に、HPeesof社製の電磁界シミュレータである『Momentum』を用いて計算した周波数特性を示す。図８から分かるように、４段の帯域通過フィルタ特性が得られることが実証された。
【００３８】
さらに、第１のストリップ導体１３ａを楕円形状とすることにより、共振モード１８ａと共振モード１８ｂとの間の直接結合を生じさせることができる。これにより、楕円関数型のフィルタ特性を得ることができる。図９に、HPeesof社製の電磁界シミュレータである『Momentum』によって実際に求めた周波数特性の一例を示す。図９に示すように、通過帯域のすぐ両側にノッチが入り、急峻なスカート特性が得られていることが分かる。この場合、第１のストリップ導体１３ａの楕円の長軸を、第１及び第２の結合端子１７ａ、１７ｂのそれぞれの結合箇所の間を通り、共振モード１８ａと共振モード１８ｂの分極方向に対して４５゜の方向に設定すれば、ノッチを効果的に挿入することができる。
【００３９】
本発明の高周波フィルタの構成によれば、平面回路共振器の２つの直交方向に分極した共振モードを効果的に利用することにより、構成部材である平面回路共振器の個数の２倍の段数のフィルタを実現することができるので、フィルタ形状の小型化を図ることができる。また、本構成によれば、従来、直交モードを利用した平面回路共振器フィルタでは明確な構成方法がなかった３段以上の多段フィルタを簡易な方法によって実現することができる。
【００４０】
尚、上記第１及び第２の実施の形態においては、平面回路共振器を３個あるいは２個並べた場合を例に挙げて説明したが、本発明は必ずしもこの構成に限定されるものではなく、平面回路共振器を４個以上並べた場合であっても同様に共振器結合型多段フィルタを実現することができる。この場合にも、構成部材である平面回路共振器の個数の２倍の段数のフィルタを実現することができるので、より多くの平面回路共振器を並べた場合、より段数を増やすことができ、非常に有効である。
【００４１】
また、上記第１及び第２の実施の形態においては、平面回路共振器が、基板上に形成された円板形状あるいは楕円形状のストリップ導体によって構成されている場合を例に挙げて説明したが、本発明は必ずしもこの構成に限定されるものではなく、他の形状のストリップ導体であっても平面回路共振器を構成する形状であれば同様にフィルタ特性を実現することができる。但し、この場合の平面回路共振器とは、２次元的に電磁界が分布し、それによって狭い周波数範囲内に２つの直交方向に分極した共振モードが存在し得る構造の共振器を意味している。特に、上記第１及び第２の実施の形態のように円板形状あるいは楕円形状のストリップ導体を用いれば、ストリップ導体パターンの輪郭部における電流集中を効果的に減少させて、損失をより一層低減することが可能となる。
【００４２】
また、上記第１及び第２の実施の形態においては、平面回路共振器が、基板の表面上に形成されたストリップ導体と、基板の裏面上に形成されたグランドプレーンとにより構成される場合を例に挙げて説明したが、本発明は必ずしもこの構造の平面回路共振器に限定されるものではない。例えば、図１０に示すような、ストリップ導体２３が２枚の基板２１、２２に挟まれ、それぞれの基板２１、２２の外側の面上にそれぞれグランドプレーン２４、２５が形成された構成のトリプレート型構造や、ストリップ導体とグランドプレーンとが基板の同一表面上に形成された構成のコプレナー導波路型構造であっても、平面回路共振器を構成する形状であれば同様にフィルタ特性を実現することができる。
【００４３】
このうちトリプレート型構造を採用すれば、電磁界の放射の影響がほとんどなく、非常に安定で損失の少ない高周波フィルタを実現することができる。また、コプレナー導波路型構造を採用すれば、基板の片面での加工だけで素子を形成することができるので、作製プロセスの簡略化を図ることができる。
【００４４】
また、本発明の高周波フィルタにおける平面回路共振器のストリップ導体等に用いられる導体材料は特に限定されるものではなく、金属材料や超伝導材料等を用いることができる。金属材料としては、Ａｕ、Ａｇ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｃｕ及びＡｌ等を挙げることができ、これらの材料から選ばれる少なくとも２つの金属を積層して用いれば、良好な電気伝導性が得られ、高周波への応用に有利である。また、超伝導材料としては、金属系材料（例えば、Ｐｂ、ＰｂＩｎ、等のＰｂ系材料、Ｎｂ、ＮｂＮ、Ｎｂ3Ｇｅ等のＮｂ系材料）でもよいが、実用的には、温度条件の比較的緩やかな高温酸化物超伝導体（例えば、Ｂａ2ＹＣｕ3Ｏ7）を用いるのが望ましい。特に、導体材料として超伝導材料を用いれば、挿入損失が劇的に低減され、また、平面回路共振器中で電流分布が均一であることから、耐電力性能の優れた高周波フィルタを実現することができる。
【００４５】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明に係る高周波フィルタによれば、平面回路共振器を基本として構成されていることにより、高周波電流の導体膜中への集中を緩和することができるので、損失が小さく、かつ、大きな電力の高周波信号を扱うことが可能となる。特に、従来、平面回路共振器を用いたモード結合型フィルタでは設計が困難であった３段以上の多段共振器結合型フィルタを容易に実現することができるので、低損失で、耐電力性が優れ、かつ、急峻なスカート特性を有するフィルタを容易に実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の第１の実施の形態における高周波フィルタを示す平面図
【図２】 本発明の第１の実施の形態における高周波フィルタを示す断面図
【図３】 本発明の第１の実施の形態における高周波フィルタの第３のストリップ導体の形状の例を示す平面図
【図４】 本発明の第２の実施の形態における高周波フィルタを示す平面図
【図５】 本発明の第２の実施の形態における高周波フィルタを導体壁によって囲まれた空洞内に固定した状態を示す断面図
【図６】 本発明の第２の実施の形態における高周波フィルタのモード結合係数と間隙部の距離との関係を示す図
【図７】 本発明の第２の実施の形態における高周波フィルタのストリップ導体の楕円率とモード結合係数との関係を示す図
【図８】 本発明の第２の実施の形態における高周波フィルタの周波数特性を表す図
【図９】 本発明の第２の実施の形態における高周波フィルタの他の周波数特性を表す図
【図１０】 本発明に係る高周波フィルタの他の例を示す断面図
【符号の説明】
１、１２、２１、２２ 基板
２ａ、１３ａ 第１のストリップ導体
２ｂ、１３ｂ 第２のストリップ導体
２ｃ 第３のストリップ導体
３、１４、２４、２５ グランドプレーン
４ａ、１５ａ 第１の平面回路共振器
４ｂ、１５ｂ 第２の平面回路共振器
４ｃ 第３の平面回路共振器
５ａ、５ｂ、１６ 間隙部
６ａ、１７ａ 第１の結合端子
６ｂ、１７ｂ 第２の結合端子
７ａ、７ｂ、８ａ、８ｂ、９ａ、９ｂ、１８ａ、１８ｂ、１９ａ、１９ｂ 共振モード
１０ 突起部
１１ 切り欠き部
２０ 導体壁
２３ ストリップ導体
【発明の属する技術分野】
本発明は、通信システムなどの高周波信号処理装置に用いられる高周波フィルタに関する。
【０００２】
【従来の技術】
高周波通信システムにおいては、フィルタ、分波器などをはじめとする共振器を基本に構成される高周波回路素子は不可欠の要素である。特に、移動体通信システムなどにおいては、周波数帯域の有効利用のために、狭帯域なフィルタが要求される。また、移動体通信の基地局や通信衛星などにおいては、低損失でかつ小型で、大きな電力に耐えることのできるフィルタが強く要望されている。
【０００３】
現在用いられている共振器フィルタなどの高周波回路素子としては、誘電体共振器を用いたもの、伝送線路構造を用いたもの、表面弾性波素子を用いたものなどが主流となっている。このうち、伝送線路構造を用いたものは、小型で、マイクロ波、ミリ波領域の高周波まで適用することができ、さらに、基板上に形成する２次元的な構造であり、他の回路や素子との組み合わせが容易であるため、広く利用されている。従来、このタイプの共振器としては、伝送線路による１／２波長共振器が最も一般的に利用されており、さらに、この１／２波長共振器を複数個結合させることにより、フィルタなどの高周波回路素子が構成されている。
【０００４】
また、他の従来例として、平面回路構造を用いたものがある。その代表例としては、円板共振器を複数個並べたもの、あるいは、円板型共振器の外周の一部に突起部を設けてダイポールモードを結合させることにより、フィルタ特性を発揮させるものなどがある（『Low Loss Multiplexers with Planar Dual Mode HTS Resonators』 IEEE Trans actions on Microwave Theory and Techniques, Vol.44, No.7, pp.1248-1257, 『電子情報通信学会技術研究報告, 1993, Vol.93, No.363(SCE93 47-56)永井靖浩他』, 電子通信学会論文誌， 72/8 Vol.55-B No.8『マイクロ波平面回路の解析的取扱い(Analysis of Microwave Planar Circuit)』三好旦六、大越孝敬）。その他の従来例として、特開平６ - ０３７５０４号公報（特に図６）を挙げることができる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、１／２波長共振器等の伝送線路構造の共振器では、導体中における高周波電流が部分的に集中するために、導体の抵抗による損失が比較的大きく、共振器ではＱ値の劣化、フィルタを構成した場合には損失の増加を招いてしまう。また、通常よく利用されるマイクロストリップ線路構造の１／２波長共振器を用いた場合には、回路から空間への放射による損失の影響も問題となる。
【０００６】
これらの影響は、構造を小型化したり、動作周波数を高くすると、さらに顕著になる。損失が比較的小さく、耐電力性に優れた共振器としては、誘電体共振器が利用されている。しかし、誘電体共振器は立体構造を有しており、かつ、サイズが大きいために、高周波回路素子の小型化にとっては問題である。
【０００７】
また、超伝導体を利用することにより、これら高周波回路素子の低損失化を図ることも可能である。しかし、上記した従来の構造のものでは、電流の過度の集中によって超伝導性が失われるために、大きな電力の信号を利用することは困難である。実際の測定例でも、最大入力電力は数十ｍＷ程度であり、実用的なレベルには達していない。
【０００８】
また、円板共振器に代表される平面回路共振器を用いたフィルタは、電流分布が広い面積にわたって均一となるため、優れた耐電力性能を有すると言われている。しかし、円板共振器を複数個並べたものは、素子面積が非常に大きくなり、急峻なスカート特性を実現するために多段構成とする場合に特に深刻な問題となる。また、外周の一部に突起部を設けたタイプの平面回路構造の共振器フィルタの場合には、３段以上の多段構成とするための簡易な方法がなかった。
【０００９】
以上のようなことから、マイクロ波、ミリ波領域の高周波領域において他の回路や素子との整合性が良く、かつ、高性能な小型の共振器フィルタ等の高周波回路素子を２次元的な構造で実現するためには、伝送線路構造や平面回路構造の共振器が有するこのような問題を解決することが極めて重要である。
【００１０】
本発明は、従来技術における前記課題を解決するためになされたものであり、低損失で、耐電力性に優れ、かつ、急峻なスカート特性をも実現することのできる高性能な高周波フィルタを提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成する本発明に係る高周波フィルタは、
それぞれ２つの直交した共振モードを有し、順番に結合したｎ個（ｎは２以上の整数）の平面回路共振器と、金属からなる直線状の２つの結合端子とを備えた高周波フィルタであって、
前記２つの結合端子が第１番目の前記平面回路共振器が有する２つの共振モードとそれぞれ容量結合しており、
第ｎ番目の平面回路共振器が有する２つの共振モード間に結合を生じさせる手段が備わっており、
前記高周波フィルタは、誘電体からなる基板と、前記基板の表面上に形成された金属からなるｎ個のストリップ導体と、前記基板の裏面上に形成された導体膜からなるグランドプレーンとからなり、
前記各平面回路共振器は、前記基板の表面に形成された各前記ストリップ導体と、前記基板の裏面に形成された前記グランドプレーンとから構成され、
ｎ個の前記ストリップ導体が距離ｄの間隙部を介して直線状に配置され、
ｎ個の前記ストリップ導体のうちの一端部に位置する第１番目のストリップ導体の輪郭上において、前記第１番目のストリップ導体の中心から見て、前記第１番目のストリップ導体に隣接する第２番目のストリップ導体と反対側の位置に第１の結合端子が結合され、前記第１の結合端子の結合位置とほぼ９０゜ずれた位置に第２の結合端子が結合され、
第ｎ番目の平面回路共振器が有する２つの共振モード間に結合を生じさせる手段は、
（ａ） 前記２つの共振モードのうち一方の共振モードと他方の共振モードとの分極方向に対して４５°の方向に長軸を有する楕円形状を有する第ｎ番目のストリップ導体
（ｂ） 前記２つの共振モードのうち一方の共振モードと他方の共振モードとの分極方向に対して４５°の方向に突起部を有する第ｎ番目のストリップ導体、または
（ｃ） 前記２つの共振モードのうち一方の共振モードと他方の共振モードとの分極方向に対して４５°の方向に切り掻き部を有する第ｎ番目のストリップ導体
のいずれかであり、
前記距離ｄの間隙部を挟んで隣接する２つの前記平面回路共振器が有する共振モードのうち、前記直線状の第１の結合端子に平行な共振モードの結合係数ｋｈと、前記直線状の第２の結合端子に平行な共振モードの結合係数ｋｐとが一致するように、距離ｄが設定されている。
前記第１番目のストリップ導体の形状が円板形状あるいは楕円形状であることが好ましい。
周囲が導体壁によって包囲されていることが好ましい。
前記平面回路共振器の導体材料として超伝導材料を用いられていることが好ましい。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、実施の形態を用いて本発明をさらに具体的に説明する。
【００１９】
〈第１の実施の形態〉
図１は本発明の第１の実施の形態における高周波フィルタを示す平面図、図２はその断面図である。
【００２０】
図１、図２に示すように、誘電体単結晶などからなる基板１の表面上には、真空蒸着、エッチングなどの適当な方法によって複数の例えば円板形状あるいは楕円形状の第１、第２及び第３のストリップ導体２ａ、２ｂ及び２ｃが形成されている。そして、これらの第１、第２及び第３のストリップ導体２ａ、２ｂ及び２ｃは、間隙部５ａ、５ｂを介して直線状に配置されている。また、基板１の裏面上には、その全面にグランドプレーン３が形成されている。この構成において、第１、第２及び第３のストリップ導体２ａ、２ｂ及び２ｃは、それぞれ別個の第１、第２及び第３の平面回路共振器４ａ、４ｂ及び４ｃとして動作する。また、第１のストリップ導体２ａに対しては、第１及び第２の結合端子６ａ、６ｂが設けられている。
【００２１】
第１及び第２の結合端子６ａ、６ｂは、第１の平面回路共振器４ａが有する２つの直交方向に分極した共振モード７ａ、７ｂをそれぞれ励振するような方向から第１の平面回路共振器４ａに誘導結合されている。但し、図１中の共振モードを示す矢印は共振モードの電流方向、すなわち、電気的な分極方向を示しているものとする。
【００２２】
典型的な例としては、円板共振器におけるTM11モードがこのような電気的特性を有する共振モードとなる。また、第２の平面回路共振器４ｂも２つの直交方向に分極した共振モード８ａ、８ｂを有し、第３の平面回路共振器４ｃも２つの直交方向に分極した共振モード９ａ、９ｂを有している。共振モード７ａ、８ａ、９ａは互いに分極の方向が同じとなるようにすることができ、また、共振モード７ｂ、８ｂ、９ｂも互いに分極の方向が同じとなるようにすることができる。
【００２３】
以下、上記のように構成された回路の動作について説明する。
【００２４】
第１の結合端子６ａに入力した信号は第１の平面回路共振器４ａの共振モード７ａを励振する。共振モード７ａは第２の平面回路共振器４ｂの共振モード８ａと結合する。この場合、共振モード７ａは共振モード７ｂ、８ｂとは分極の方向がほぼ直交しているので、これらの共振モード７ｂ、８ｂとの結合量は無視できる程度に非常に小さい。
【００２５】
次に、第２の平面回路共振器４ｂの共振モード８ａは第３の平面回路共振器４ｃの共振モード９ａと結合する。
【００２６】
次に、平面回路共振器４ｃにおいて、適当な方法により、共振モード９ａと共振モード９ｂとの間に結合を生じさせる。共振モード９ａと共振モード９ｂとの間に結合を生じさせる方法としては、例えば、図３（ａ）に示すように、第３のストリップ導体２ｃの形状を、共振モード９ａと共振モード９ｂの分極方向に対して４５゜の方向に長軸を有する楕円形状にしたり、図３（ｂ）、（ｃ）に示すように、その方向の輪郭部に突起部１０や切り欠き部１１などを形成する方法がある。
【００２７】
同様にして、第３の平面回路共振器４ｃの共振モード９ｂは、第２の平面回路共振器４ｂの共振モード８ｂ及び第１の平面回路共振器４ａの共振モード７ｂと順次結合し、最終的に第２の結合端子６ｂから出力される。
【００２８】
以上の過程で、第１の結合端子６ａに入力した信号は６つの共振モード７ａ、８ａ、９ａ、９ｂ、８ｂ、７ｂを介していることから、この回路は６段の共振器結合型帯域通過フィルタとして動作する。
【００２９】
〈第２の実施の形態〉
図４は本発明の第２の実施の形態における高周波フィルタを示す平面図、図５はその高周波フィルタを導体壁によって囲まれた空洞内に固定した状態を示す断面図である。
【００３０】
図４、図５に示すように、ランタンアルミナ（ＬａＡｌＯ3）単結晶などの比誘電率２４の基板１２の表面上には、真空蒸着、エッチングなどの適当な方法によって複数の楕円形状の第１及び第２のストリップ導体１３ａ、１３ｂが形成されている。そして、これらの第１及び第２のストリップ導体１３ａ、１３ｂは、間隙部１６を介してそれぞれの長軸が一直線上にくるように配置されている。また、基板１２の裏面上には、その全面に導体膜からなるグランドプレーン１４が形成されている。この構成において、第１及び第２のストリップ導体１３ａ、１３ｂは、それぞれ別個の第１及び第２の平面回路共振器１５ａ、１５ｂとして動作する。また、第１のストリップ導体１３ａに対して、第１及び第２の結合端子１７ａ、１７ｂが設けられている。
【００３１】
第１の結合端子１７ａは、第１のストリップ導体１３ａの輪郭上の、第２のストリップ導体１３ｂと反対側の位置で第１のストリップ導体１３ａに容量結合されている。また、第２の結合端子１７ｂは、同じく第１のストリップ導体１３ａの円周上の、第１の結合端子１７ａの結合位置と９０゜ずれた位置で第１のストリップ導体１３ａに容量結合されている。ここで、第１及び第２の結合端子１７ａ、１７ｂは、その先端部（第１のストリップ導体１３ａとの結合部分）の線路幅が拡げられている。これにより、第１及び第２の結合端子１７ａ、１７ｂと第１のストリップ導体１３ａとの間の結合容量を増加させて、入出力結合度を大きくすることができる。
【００３２】
第１及び第２の結合端子１７ａ、１７ｂは、伝送線路によって基板１２の縁部まで延長されており、この部分で外部導入ケーブル等と結合されている。
【００３３】
そして、図５に示すように、基板１２を導体壁２０によって囲まれた空間内に固定して、特性の検討を行った。このように基板１２を導体壁２０によって囲まれた空間内に配置すれば、第１及び第２の平面回路共振器１５ａ、１５ｂからの放射損失を防止することができるため、損失をより一層低減することができる。しかも、導体壁２０によって囲まれた空間の形状を変えることによってモード結合量をより大きな自由度で調節することが可能となる。
【００３４】
本高周波フィルタの具体的寸法を挙げれば、次のとおりである。基板１２は、その大きさ（面積）が５０．８ｍｍ×２５．４ｍｍ、厚みが１ｍｍである。第１及び第２のストリップ導体１３ａ、１３ｂは、半径７ｍｍの円形を基に、所望の特性を得るために僅かに歪ませた形状となっている。特に第２のストリップ導体１３ｂは、第２の平面回路共振器１５ｂの２つの直交方向に分極した共振モード１９ａと共振モード１９ｂとを結合させるために、図３（ａ）に示したような楕円形状となっている。また、図５に示すように、導体壁２０によって囲まれた空洞の高さは、基板１２の表面から測って１０ｍｍとなっている。
【００３５】
図６に、図４の配置における、共振モード１８ａと共振モード１９ａとの間の結合係数ｋhと間隙部１６の距離ｄとの関係、及び、共振モード１８ｂと共振モード１９ｂとの間の結合係数ｋpと間隙部１６の距離ｄとの関係を示す。図６から分かるように、間隙部１６の距離ｄの増加に対し、共振モード１８ａと共振モード１９ａとの間の結合係数ｋhは減少傾向にあり、共振モード１８ｂと共振モード１９ｂとの間の結合係数ｋpは増加傾向にある。いずれにしても、結合係数ｋh、ｋpは、間隙部１６の距離ｄの値によって制御できることが分かる。
【００３６】
図７に、第２のストリップ導体１３ｂの形状を、共振モード１９ａと共振モード１９ｂの分極方向に対して４５゜の方向に長軸を有する楕円形状に歪ませた場合の、両モード間の結合係数を示す。図７から分かるように、楕円率に対し、結合係数がほぼ比例して増加している。
【００３７】
以上のことから、各共振モード間の結合係数は、間隙部１６の距離ｄと第２のストリップ導体１３ｂの楕円率とを変化させることにより、調節できることが分かる。この結果を基に、本実施の形態においては、比帯域１％、帯域内リップル０．０１ｄＢの４段チェビシェフ型フィルタ特性を得るために、間隙部１６の距離ｄを３ｍｍ、第２のストリップ導体１３ｂの楕円率を０．９％に設定した。図８に、HPeesof社製の電磁界シミュレータである『Momentum』を用いて計算した周波数特性を示す。図８から分かるように、４段の帯域通過フィルタ特性が得られることが実証された。
【００３８】
さらに、第１のストリップ導体１３ａを楕円形状とすることにより、共振モード１８ａと共振モード１８ｂとの間の直接結合を生じさせることができる。これにより、楕円関数型のフィルタ特性を得ることができる。図９に、HPeesof社製の電磁界シミュレータである『Momentum』によって実際に求めた周波数特性の一例を示す。図９に示すように、通過帯域のすぐ両側にノッチが入り、急峻なスカート特性が得られていることが分かる。この場合、第１のストリップ導体１３ａの楕円の長軸を、第１及び第２の結合端子１７ａ、１７ｂのそれぞれの結合箇所の間を通り、共振モード１８ａと共振モード１８ｂの分極方向に対して４５゜の方向に設定すれば、ノッチを効果的に挿入することができる。
【００３９】
本発明の高周波フィルタの構成によれば、平面回路共振器の２つの直交方向に分極した共振モードを効果的に利用することにより、構成部材である平面回路共振器の個数の２倍の段数のフィルタを実現することができるので、フィルタ形状の小型化を図ることができる。また、本構成によれば、従来、直交モードを利用した平面回路共振器フィルタでは明確な構成方法がなかった３段以上の多段フィルタを簡易な方法によって実現することができる。
【００４０】
尚、上記第１及び第２の実施の形態においては、平面回路共振器を３個あるいは２個並べた場合を例に挙げて説明したが、本発明は必ずしもこの構成に限定されるものではなく、平面回路共振器を４個以上並べた場合であっても同様に共振器結合型多段フィルタを実現することができる。この場合にも、構成部材である平面回路共振器の個数の２倍の段数のフィルタを実現することができるので、より多くの平面回路共振器を並べた場合、より段数を増やすことができ、非常に有効である。
【００４１】
また、上記第１及び第２の実施の形態においては、平面回路共振器が、基板上に形成された円板形状あるいは楕円形状のストリップ導体によって構成されている場合を例に挙げて説明したが、本発明は必ずしもこの構成に限定されるものではなく、他の形状のストリップ導体であっても平面回路共振器を構成する形状であれば同様にフィルタ特性を実現することができる。但し、この場合の平面回路共振器とは、２次元的に電磁界が分布し、それによって狭い周波数範囲内に２つの直交方向に分極した共振モードが存在し得る構造の共振器を意味している。特に、上記第１及び第２の実施の形態のように円板形状あるいは楕円形状のストリップ導体を用いれば、ストリップ導体パターンの輪郭部における電流集中を効果的に減少させて、損失をより一層低減することが可能となる。
【００４２】
また、上記第１及び第２の実施の形態においては、平面回路共振器が、基板の表面上に形成されたストリップ導体と、基板の裏面上に形成されたグランドプレーンとにより構成される場合を例に挙げて説明したが、本発明は必ずしもこの構造の平面回路共振器に限定されるものではない。例えば、図１０に示すような、ストリップ導体２３が２枚の基板２１、２２に挟まれ、それぞれの基板２１、２２の外側の面上にそれぞれグランドプレーン２４、２５が形成された構成のトリプレート型構造や、ストリップ導体とグランドプレーンとが基板の同一表面上に形成された構成のコプレナー導波路型構造であっても、平面回路共振器を構成する形状であれば同様にフィルタ特性を実現することができる。
【００４３】
このうちトリプレート型構造を採用すれば、電磁界の放射の影響がほとんどなく、非常に安定で損失の少ない高周波フィルタを実現することができる。また、コプレナー導波路型構造を採用すれば、基板の片面での加工だけで素子を形成することができるので、作製プロセスの簡略化を図ることができる。
【００４４】
また、本発明の高周波フィルタにおける平面回路共振器のストリップ導体等に用いられる導体材料は特に限定されるものではなく、金属材料や超伝導材料等を用いることができる。金属材料としては、Ａｕ、Ａｇ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｃｕ及びＡｌ等を挙げることができ、これらの材料から選ばれる少なくとも２つの金属を積層して用いれば、良好な電気伝導性が得られ、高周波への応用に有利である。また、超伝導材料としては、金属系材料（例えば、Ｐｂ、ＰｂＩｎ、等のＰｂ系材料、Ｎｂ、ＮｂＮ、Ｎｂ3Ｇｅ等のＮｂ系材料）でもよいが、実用的には、温度条件の比較的緩やかな高温酸化物超伝導体（例えば、Ｂａ2ＹＣｕ3Ｏ7）を用いるのが望ましい。特に、導体材料として超伝導材料を用いれば、挿入損失が劇的に低減され、また、平面回路共振器中で電流分布が均一であることから、耐電力性能の優れた高周波フィルタを実現することができる。
【００４５】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明に係る高周波フィルタによれば、平面回路共振器を基本として構成されていることにより、高周波電流の導体膜中への集中を緩和することができるので、損失が小さく、かつ、大きな電力の高周波信号を扱うことが可能となる。特に、従来、平面回路共振器を用いたモード結合型フィルタでは設計が困難であった３段以上の多段共振器結合型フィルタを容易に実現することができるので、低損失で、耐電力性が優れ、かつ、急峻なスカート特性を有するフィルタを容易に実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の第１の実施の形態における高周波フィルタを示す平面図
【図２】 本発明の第１の実施の形態における高周波フィルタを示す断面図
【図３】 本発明の第１の実施の形態における高周波フィルタの第３のストリップ導体の形状の例を示す平面図
【図４】 本発明の第２の実施の形態における高周波フィルタを示す平面図
【図５】 本発明の第２の実施の形態における高周波フィルタを導体壁によって囲まれた空洞内に固定した状態を示す断面図
【図６】 本発明の第２の実施の形態における高周波フィルタのモード結合係数と間隙部の距離との関係を示す図
【図７】 本発明の第２の実施の形態における高周波フィルタのストリップ導体の楕円率とモード結合係数との関係を示す図
【図８】 本発明の第２の実施の形態における高周波フィルタの周波数特性を表す図
【図９】 本発明の第２の実施の形態における高周波フィルタの他の周波数特性を表す図
【図１０】 本発明に係る高周波フィルタの他の例を示す断面図
【符号の説明】
１、１２、２１、２２ 基板
２ａ、１３ａ 第１のストリップ導体
２ｂ、１３ｂ 第２のストリップ導体
２ｃ 第３のストリップ導体
３、１４、２４、２５ グランドプレーン
４ａ、１５ａ 第１の平面回路共振器
４ｂ、１５ｂ 第２の平面回路共振器
４ｃ 第３の平面回路共振器
５ａ、５ｂ、１６ 間隙部
６ａ、１７ａ 第１の結合端子
６ｂ、１７ｂ 第２の結合端子
７ａ、７ｂ、８ａ、８ｂ、９ａ、９ｂ、１８ａ、１８ｂ、１９ａ、１９ｂ 共振モード
１０ 突起部
１１ 切り欠き部
２０ 導体壁
２３ ストリップ導体
Claims (4)
- それぞれ２つの直交した共振モードを有し、順番に結合したｎ個（ｎは２以上の整数）の平面回路共振器と、金属からなる直線状の２つの結合端子とを備えた高周波フィルタであって、
前記２つの結合端子が第１番目の前記平面回路共振器が有する２つの共振モードとそれぞれ容量結合しており、
第ｎ番目の平面回路共振器が有する２つの共振モード間に結合を生じさせる手段が備わっており、
前記高周波フィルタは、誘電体からなる基板と、前記基板の表面上に形成された金属からなるｎ個のストリップ導体と、前記基板の裏面上に形成された導体膜からなるグランドプレーンとからなり、
前記各平面回路共振器は、前記基板の表面に形成された各前記ストリップ導体と、前記基板の裏面に形成された前記グランドプレーンとから構成され、
ｎ個の前記ストリップ導体が距離ｄの間隙部を介して直線状に配置され、
ｎ個の前記ストリップ導体のうちの一端部に位置する第１番目のストリップ導体の輪郭上において、前記第１番目のストリップ導体の中心から見て、前記第１番目のストリップ導体に隣接する第２番目のストリップ導体と反対側の位置に第１の結合端子が結合され、前記第１の結合端子の結合位置とほぼ９０゜ずれた位置に第２の結合端子が結合され、
第ｎ番目の平面回路共振器が有する２つの共振モード間に結合を生じさせる手段は、
（ａ） 前記２つの共振モードのうち一方の共振モードと他方の共振モードとの分極方向に対して４５°の方向に長軸を有する楕円形状を有する第ｎ番目のストリップ導体
（ｂ） 前記２つの共振モードのうち一方の共振モードと他方の共振モードとの分極方向に対して４５°の方向に突起部を有する第ｎ番目のストリップ導体、または
（ｃ） 前記２つの共振モードのうち一方の共振モードと他方の共振モードとの分極方向に対して４５°の方向に切り掻き部を有する第ｎ番目のストリップ導体
のいずれかであり、
前記距離ｄの間隙部を挟んで隣接する２つの前記平面回路共振器が有する共振モードのうち、前記直線状の第１の結合端子に平行な共振モードの結合係数ｋ h と、前記直線状の第２の結合端子に平行な共振モードの結合係数ｋ p とが一致するように、距離ｄが設定されている、高周波フィルタ。 - 前記第１番目のストリップ導体の形状が円板形状あるいは楕円形状である、請求項１に記載の高周波フィルタ。
- 周囲が導体壁によって包囲されている、請求項１〜２のいずれかに記載の高周波フィルタ。
- 前記平面回路共振器の導体材料として超伝導材料を用いられている、請求項１〜３のいずれかに記載の高周波フィルタ。
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