JP4163826B2 - フィルタ回路 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は通信装置等で妨害信号や雑音の除去に使用される、複数の共振器を電磁界結合させて構成したフィルタ回路に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、誘電体層によって絶縁され、かつ誘電体層を介して対向する、任意の周波数の電気信号で共振をする共振器が含まれている信号線と接地導体とによって構成されるフィルタ回路においては、共振器は誘電体層の一方の主面、すなわち接地導体が形成された主面と反対側の主面上にしか構成されないのが通常であった。
【０００３】
そのような従来のフィルタ回路の構成例を図３に断面図で示す。図３において、71は誘電体層、72・73は誘電体層71の上面に被着形成された、共振器に対して信号の入出力を行なう給電線、74・75は誘電体層71の上面に被着形成されたマイクロストリップライン共振器、76・78は給電線72とマイクロストリップライン共振器74との第１単位結合部、77・81は給電線73とマイクロストリップライン共振器75との第２単位結合部、79・80はマイクロストリップライン共振器74と75との第３単位結合部、82は誘電体層71の下面に被着形成された接地導体である。
【０００４】
このフィルタ回路においては、給電線72より信号が入力されると、この入力信号は第１単位結合部76・78を介してマイクロストリップライン共振器74に入る。
【０００５】
マイクロストリップライン共振器74に入った信号は第３単位結合部79・80を介してマイクロストリップライン共振器75に入り、さらに第２単位結合部81・77を介して給電線73に出力される。すなわち、このようなフィルタ回路における各共振器74・75間もしくは共振器74・75と給電線72・73間の信号の伝達は、電界結合もしくは磁界結合によって行なわれている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記のようなフィルタ回路においては、第１単位結合部76・78と第２単位結合部77・81の間には、電界・磁界を遮断するものがないため、これらの間にフィルタ回路設計の上で不必要な共振器間もしくは共振器と給電線間の電界もしくは磁界結合も生じてしまうという問題点があった。そのため、高度な性能を必要とするフィルタ回路、例えばフィルタ回路の振幅の減衰特性を急峻に制御する必要がある帯域通過フィルタ回路等では、フィルタ回路設計の上で不必要な電界もしくは磁界結合が生じることにより、フィルタ回路の電気特性において所望の急峻な減衰特性を得られないという問題点があった。
【０００７】
本発明は上記従来技術における問題点に鑑みて案出されたものであり、その目的は、共振器間もしくは共振器と給電線間の不要な電界もしくは磁界結合を解消でき、所望のフィルタ特性が得られるように正確に設計・作製することができるフィルタ回路を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明のフィルタ回路は、上面に第１共振器が、下面に第１接地導体が被着形成された第１誘電体層と、上面に第２接地導体が、下面に第２共振器が被着形成された第２誘電体層とが、前記第１および第２共振器同士が対向するようにして前記第１および第２接地導体同士を間に第３誘電体層を介して対面しているとともに、前記第１誘電体層、第２誘電体層、および第３誘電体層を含む積層体の側面の四方を覆い、且つ前記第１接地導体および第２接地導体と電気的に接続される金属筐体が設けられており、前記第１接地導体および第２接地導体が超伝導体または常伝導体からなるとともに、前記第１、第２接地導体が超伝導体からなる場合の前記第１、第２接地導体の厚みは磁場進入長以下の厚みであり、前記第１、第２接地導体が常伝導体からなる場合の前記第１、第接地導体の厚みは表皮厚み以下の厚みであり、前記第１および第２共振器間に位置する前記第１または第２接地導体の一方に前記第１および第２共振器を準ＴＥＭモード同士で電磁界結合するための開口を設けたことを特徴とするものである。
【０００９】
また、本発明のフィルタ回路は、上面に第１共振器が、下面に第１接地導体が被着形成された第１誘電体層と、上面に第２接地導体が、下面に第２共振器が被着形成された第２誘電体層とが、前記第１および第２共振器同士が対向するようにして前記第１および第２接地導体同士を間に第３誘電体層を介して対面しているとともに、前記第１誘電体層、第２誘電体層、および第３誘電体層を含む積層体の側面の四方を覆い、且つ前記第１接地導体および第２接地導体と電気的に接続される金属筐体が設けられており、前記第１接地導体および第２接地導体が超伝導体または常伝導体からなるとともに、前記第１、第２接地導体が超伝導体からなる場合の前記第１、第２接地導体の厚みは磁場進入長以下の厚みであり、前記第１、第２接地導体が常伝導体からなる場合の前記第１、第２接地導体の厚みは表皮厚み以下の厚みであり、前記第１誘電体層上に上面に第３接地導体が被着形成された第４誘電体層を、前記第２誘電体層下に下面に第４接地導体が被着形成された第５誘電体層をそれぞれ積層し、前記第１および第２共振器間に位置する前記第１または第２接地導体の一方に前記第１および第２共振器をＴＥＭモード同士で電磁界結合するための開口を設けたことを特徴とするものである。
【００１０】
さらに、本発明のフィルタ回路は、前記第３接地導体と前記第１共振器との距離または前記第４接地導体と前記第２共振器との距離を変える調整ネジをさらに備えることを特徴とするものである。
また本発明のフィルタ回路は、前記開口は、前記第１接地導体と前記第２接地導体のうち一方にのみ形成されていることを特徴とするものである。
また本発明のフィルタ回路は、前記第３誘電体層は、前記第１接地導体と前記第２接地導体とを貼りあわせる接着剤からなり、前記開口は、前記接着剤により埋められていることを特徴とするものである。
【００１１】
【発明の実施の形態】
本発明の第１のフィルタ回路によれば、上記構成により、第１〜第３誘電体層と第１・第２接地導体を介して対向している第１および第２共振器間に位置する第１または第２接地導体の一方に開口を設けたことから、この開口を介して対向する第１および第２共振器の間では、一方の接地導体をお互いに直接共有することとなり、この接地導体を介して、この場合の各共振器を電磁波が伝搬するモードである準ＴＥＭモード同士で電界もしくは磁界結合をすることができる。これは、第３誘電体層を介して対面する第１および第２接地導体はそれぞれアースに接地されるために本来は電界や磁界を完全に遮断できるが、本発明のフィルタ回路におけるように一方の接地導体に開口を設けることにより他方の一つの接地導体をその両側で２つの共振器が共有すると、接地導体を流れる電流や磁界によって２つの共振器同士は互いに電界もしくは磁界結合をすることによるものである。しかし、その他の開口を設けていない場所でこのように一方の接地導体を直接共有しない共振器同士や共振器と給電線の間では、電界や磁界は完全に遮断されるため電界もしくは磁界結合をすることはできない。そのため、この一方の接地導体に設ける開口の位置や形状・大きさを制御することにより、所望の共振器同士を電磁界結合させつつその他の不要な電界もしくは磁界結合をなくすことができる。その結果、本発明のフィルタ回路によれば、所望の急峻なフィルタ特性を有するフィルタ回路を正確に設計・作製することが可能となる。
【００１２】
これに対し、従来のように共振器および給電線が誘電体層上の接地導体とは反対側の一方の主面上にしかない場合では、共振器間もしくは共振器と給電線間に不要な電界結合もしくは磁界結合を妨げることができる２重の接地導体がないために、遠く離れた共振器同士でも電界もしくは磁界結合を起こしてしまい、その結果、所望の急峻なフィルタ特性を有するフィルタ回路の正確な設計・作製は困難となる。
【００１３】
また、本発明の第２のフィルタ回路によれば、上記構成により、第１〜第３誘電体層と第１・第２接地導体を介して対向している第１および第２共振器間に位置する第１または第２接地導体の一方に開口を設けたことから、第１のフィルタ回路と同様に、この開口を介して対向する第１および第２共振器の間では、一方の接地導体をお互いに直接共有することとなり、この接地導体を介して、この場合の各共振器を電磁波が伝搬するモードであるＴＥＭモード同士で電界もしくは磁界結合をすることができる。
【００１４】
しかも、第４誘電体層および第５誘電体層の誘電率や第３接地導体および第４接地導体と第１共振器および第２共振器との距離を変化させることにより、電気的に接続されている第１接地導体および第２接地導体と第３接地導体および第４接地導体に加わる電界もしくは磁界の強度を分け合うことができ、それにより第１接地導体または第２接地導体の一方を介した第１および第２共振器間の電界もしくは磁界結合の強度を容易に変化させて簡単に制御することができるので、第１〜第３誘電体層と第１・第２共振器と第１・第２接地導体とでフィルタ回路を作製した後、後工程で第４・第５誘電体層と第３・第４接地導体とを積層することにより、得られるフィルタ回路のフィルタ特性を正確に調整することが可能となる。
【００１５】
また、これら本発明の第１および第２のフィルタ回路において、第１接地導体および第２接地導体を超電導体で形成した場合は、超電導体内の電界・磁界の生じる空間は磁場侵入長と呼ばれる物性値で決定されるが、この磁場侵入長と超電導体の厚みの関係により第１接地導体および第２接地導体を介した電界もしくは磁界結合の強度を変化させることができ、この超電導体の磁場侵入長は信号の周波数に依存しないため、周波数帯域の広いフィルタ回路も簡単かつ正確に設計・作製することが可能となる。
【００１６】
以下、図面に基づいて本発明のフィルタ回路を詳細に説明する。
【００１７】
図１は本発明の第１のフィルタ回路の実施の形態の一例を示す断面図である。
【００１８】
図１において、１・２および３はそれぞれ第１誘電体層・第２誘電体層および第３誘電体層、４は第１誘電体層１の上面に被着形成された、共振器と信号の入出力を行なう給電線、５は第２誘電体層２の下面に被着形成された給電線、６は第１誘電体層１の上面に被着形成された第１共振器としてのマイクロストリップライン共振器、７は第２誘電体層２の下面に被着形成された第２共振器としてのマイクロストリップライン共振器である。この給電線４と第１共振器６とでフィルタ回路の第１信号線を構成し、給電線５と第２共振器７とで第２信号線を構成する。８は第１誘電体層１の下面に被着形成された第１接地導体、９は第２誘電体層２の上面に被着形成された第２接地導体であり、これら第１接地導体８と第２接地導体９とは第３誘電体層３を介して対面している。10・12は給電線４と第１共振器６とを電界もしくは磁界結合させるための第１単位結合部、11・14は給電線５と第２共振器７とを電界もしくは磁界結合させるための第２単位結合部、13・15は対向するように配置されている第１共振器６と第２共振器７とを電界もしくは磁界結合させるための第３単位結合部である。そして、16は第１共振器６および第２共振器７間に位置する一方の接地導体、ここでは第１接地導体８に設けられた開口である。
【００１９】
このフィルタ回路において、給電線４より信号が入力されると、この入力信号は第１単位結合部10・12を介して第１共振器６に入る。第１共振器６であるマイクロストリップライン共振器における電磁波は平面波である準ＴＥＭ（Transverse ElectroMagnetic）モードで伝送するため、この第１共振器６の電磁界分布とその真下にある第１接地導体８の電磁界分布はほとんど同じとなる。そして、第１接地導体８に設けられた開口16のところのみ、第１共振器６の電磁界分布は第２接地導体９の電磁界分布を形成することとなる。次に、この電磁界分布に対応して、第２共振器７の電磁界分布が決定され、このような電磁波の伝送により、開口16を介して対向している第１共振器６と第２共振器７とは、第３単位結合部13・15を介して準ＴＥＭモード同士で電界もしくは磁界結合をすることになる。
【００２０】
そして、第２共振器７に伝送された信号は、準ＴＥＭモードで伝送され、第２単位結合部11・14を介して給電線５に出力される。
【００２１】
このとき、第１単位結合部10・12と第２単位結合部11・14は第３誘電体層３を介して対面している２重の第１および第２接地導体８・９によって電界・磁界の両方とも遮断されるため、第１および第２共振器６・７間の所望の電磁界結合以外の不要な電界もしくは磁界結合は生じることがなくなり、その結果、所望通りの急峻なフィルタ特性を有するフィルタ回路を得ることができる。
【００２２】
次に、図２は本発明の第２のフィルタ回路の実施の形態の一例を示す断面図である。
【００２３】
図２において、21・22・23・37および38はそれぞれ第１誘電体層・第２誘電体層・第３誘電体層・第４誘電体層および第５誘電体層である。24は第１誘電体層21の上面に被着形成された、共振器と信号の入出力を行なう給電線、25は第２誘電体層22の下面に被着形成された給電線である。26は第１誘電体層21の上面に被着形成された第１共振器としてのストリップライン共振器、27は第２誘電体層22の下面に被着形成された第２共振器としてのストリップライン共振器である。この給電線24と第１共振器26とでフィルタ回路の第１信号線を構成し、給電線25と第２共振器27とで第２信号線を構成する。28は第１誘電体層21の下面に被着形成された第１接地導体、29は第２誘電体層22の上面に被着形成された第２接地導体、39は第４誘電体層24の上面に被着形成された第３接地導体、40は第５誘電体層25の下面に被着形成された第４接地導体である。30・32は給電線24と第１共振器26とを電界もしくは磁界結合させるための第１単位結合部、31・34は給電線25と第２共振器27とを電界もしくは磁界結合させるための第２単位結合部、33・35は第１共振器26と第２共振器27とを電界もしくは磁界結合させるための第３単位結合部である。そして、36は第１共振器26および第２共振器27間に位置する一方の接地導体、ここでは第１接地導体28に設けられた開口である。
【００２４】
このフィルタ回路において、給電線24より信号が入力されると、この入力信号は第１単位結合部30・32を介して第１共振器26に入る。ストリップライン共振器における電磁波はＴＥＭモードで伝送するため、第１共振器26の電磁界分布とその上下にある第３接地導体39・第１接地導体28の電磁界分布はほとんど同じとなる。このとき、第４および第１誘電体層37・21の厚みと誘電率によって第３および第１接地導体39・28の電磁界強度が決定される。例えば、誘電体層が薄く第１共振器26との距離が近い接地導体の方が電磁界強度は強い。また、誘電率の大きい誘電体層の方に電磁界はより深く入り込むので、第１共振器26との間の誘電体層の誘電率の大きい接地導体の方が電磁界強度は強くなる。そして、第１接地導体28に設けられた開口36のところのみ、第１共振器26の電磁界分布は第３接地導体39と第２接地導体29の電磁界分布を形成する。この第２接地導体29の電磁界強度は第４・第１および第３誘電体層37・21・23と開口36の厚みと誘電率によって決定される。
【００２５】
次に、この電磁界分布に対応して、第２共振器27に電磁波信号が伝送される。
【００２６】
その伝送強度と分布は開口36を介して第１共振器26の電磁界分布が投影された第２接地導体29の電磁界強度と、第２および第５誘電体層22・38の厚みと誘電率によって決定される。このような電磁波の伝送により、開口36を介して対向している第１共振器26と第２共振器27とは、第３単位結合部33・35を介してＴＥＭモード同士で電界もしくは磁界結合をすることになる。そして、第２共振器27に伝送された信号は、ＴＥＭモードで伝送され、第２単位結合部31・34を介して給電線35に出力される。
【００２７】
このとき、第１単位結合部30・32と第２単位結合部31・34とは、第３誘電体層23を介して対面している２重の第１および第２接地導体28・29によって電界・磁界の両方とも遮断されるため、第１および第２共振器６・７間の所望の電磁界結合以外の不要な電界もしくは磁界結合は生じることがなくなり、その結果、所望通りの急峻なフィルタ特性を有するフィルタ回路を得ることができる。
【００２８】
さらに、この第２のフィルタ回路によれは、第４および第５誘電体層37・38の厚みと誘電率を変化させることにより、簡単に第３単位結合部33・35の結合強度を変化させて制御することができる。
【００２９】
さらに、以上の図１および図２に示す第１および第２のフィルタ回路において第１接地導体８・28および第２接地導体９・29を超電導体で形成することにより、前述のように周波数帯域の広いフィルタも簡単かつ正確に設計・作製することができる。
【００３０】
【実施例】
次に、本発明のフィルタ回路について具体例を説明する。
【００３１】
図４に、本発明の第２のフィルタ回路による中心周波数が２ＧＨｚ、通過帯域幅が約20ＭＨｚの帯域通過フィルタ回路の実施例の断面図を示す。
【００３２】
図４において、41・42・43・57および58はそれぞれ第１誘電体層・第２誘電体層・第３誘電体層・第４誘電体層および第５誘電体層である。66および67はそれぞれ信号の入出力を行なうコネクタである。44は第１誘電体層41の上面に被着形成されてコネクタ66の中心導体と電気的に接続され、かつ共振器と信号の入出力を行なう給電線、45は第２誘電体層42の下面に被着形成されてコネクタ67の中心導体と電気的に接続され、かつ共振器と信号の入出力を行なう給電線である。46は第１誘電体層41の上面に被着形成された第１共振器としてのストリップライン共振器、47は第２誘電体層42の下面に被着形成された第２共振器としてのストリップライン共振器である。この給電線44と第１共振器46とでフィルタ回路の第１信号線を構成し、給電線45と第２共振器47とで第２信号線を構成する。48は第１誘電体層41の下面に被着形成された第１接地導体、49は第２誘電体層42の上面に被着形成された第２接地導体、59は第４誘電体層57の上面に被着形成された第３接地導体、60は第５誘電体層58の下面に被着形成された第４接地導体である。
【００３３】
61はこのフィルタ回路の四方の側面を覆う金属筐体である。この金属筐体61は第１〜第４接地導体48・49・59・60と隙間なく電気的に接続されて、フィルタ回路の電磁波が外部に漏れるのを防ぐ役割をする。そして、金属筐体61は入出力用コネクタ66・67の外導体とも電気的に接続される。また、第３接地導体59は調整ネジ62・63によって給電線44・第１共振器46との距離を変化させることができる。また、第４接地導体60も同様に調整ネジ64・65によって給電線45・第２共振器47との距離を変化させることができる。
【００３４】
50・52は給電線44と第１共振器46とを電界もしくは磁界結合させるための第１単位結合部、51・54は給電線45と第２共振器47とを電界もしくは磁界結合させるための第２単位結合部、53・55は第１共振器46と第２共振器47を電界もしくは磁界結合させるための第３単位結合部である。そして、56は第１共振器46および第２共振器47間に位置する一方の接地導体、ここでは第１接地導体48に設けられた開口である。
【００３５】
このフィルタ回路において、コネクタ66より給電線44に信号が入力されると、この入力信号は第１単位結合部50・52を介して第１共振器46に入る。ストリップライン共振器における電磁波はＴＥＭモードで伝送するため、第１共振器46の電磁界分布とその上下にある第３接地導体59・第１接地導体48の電磁界分布はほとんど同じとなり、第４および第１誘電体層57・41の厚みと誘電率によって第３および第１接地導体59・48の電磁界強度が決定される。そして、第１接地導体48に設けられた開口56のところのみ、第１共振器46の電磁界分布は第３接地導体59と第２接地導体49の電磁界分布を形成する。この第２接地導体49の電磁界強度は第４・第１および第３誘電体層57・41・43と開口56の厚みと誘電率によって決定される。
【００３６】
次に、この電磁界分布に対応して、第２共振器47に電磁波信号が伝送される。
【００３７】
その伝送強度と分布は開口56を介して第１共振器46の電磁界分布が投影された第２接地導体49の電磁界強度と、第２および第５誘電体層42・58の厚みと誘電率によって決定される。このような電磁波の伝送により、開口56を介して対向している第１共振器46と第２共振器47とは、第３単位結合部53・55を介してＴＥＭモード同士で電界もしくは磁界結合をすることになる。
【００３８】
このとき、調整ネジ62・63・64・65により第３接地導体59と第１共振器46との距離および第４接地導体60と第２共振器47との距離を変化させることにより、第３単位結合部53・55を介した電界もしくは磁界結合の強度を変化させることができる。
【００３９】
そして第２共振器47に伝送された信号は、第２単位結合部51・54を介して給電線55に伝送され、コネクタ67より出力される。
【００４０】
次に、このようなフィルタ回路の作製方法について説明する。
【００４１】
厚みが0.5 ｍｍの２枚の単結晶ＭｇＯ（１００）基板の両面上にＹＢａ2 Ｃｕ3 Ｏy （ｙ≒７）超電導薄膜をスパッタリング法により0.5 μｍの厚みで成膜した。この超電導薄膜を物理エッチングによりパターニングし、図４に示すフィルタ回路の給電線44・45と第１および第２共振器46・47と開口56を形成した。ここで第１および第２共振器46・47はそれぞれ中心周波数の波長の約１／２の長さのライン共振器となるように構成した。
【００４２】
次に、この２枚の基板をエポキシ系接着剤で第１および第２接地導体48・49同士を対面させて貼り合わせ、この接着剤を第３誘電体層43とした。なお、この第３誘電体層43の厚みは約50μｍとした。また、この接着剤により開口56は埋められている。
【００４３】
次に、この貼り合わせた基板をネジによって高さの変えられる銅製の金属筐体に内蔵した。そして、第４および第５誘電体層57・58は空気（冷却時は真空）とし、金属筐体には信号の入出力のためのＫコネクタ66・67を取り付けた。なお、このフィルタ回路のサイズは、回路シミュレータを用いて阻止域1.6 ＧＨｚで−15ｄＢ以下の透過特性になるように最適化した。
【００４４】
このようにして作製したフィルタ回路のフィルタ特性の透過特性を結果を図５に線図で示す。この透過特性は、図４に示す構成のフィルタ回路を真空チャンバ内で冷凍機を用いて70Ｋに冷却した後、ネットワークアナライザで測定した。図５において横軸は周波数（ＧＨｚ）を、縦軸は透過特性（ｄＢ）を表わし、特性曲線は透過特性の周波数特性を示している。この結果より分かるように、阻止域での透過特性は1.6 ＧＨｚで−15ｄＢ以下であり、目標としたフィルタ特性とほぼ同等のフィルタ特性を有している。この結果は、第１単位結合部50・52と第２単位結合部51・54は第３誘電体層43を介して対面している第１および第２接地導体48・49によって電界・磁界の両方とも遮断されているため、不要な電界もしくは磁界結合が発生していないために回路シミュレータで設計した値を示したものと考えられる。
【００４５】
これにより、本発明の構造によれば、不要な電磁界結合が抑制でき、設計通りの透過特性を有するフィルタ回路を作製できることが確認できた。
【００４６】
なお、同様のフィルタ回路を本発明の第１のフィルタ回路により作製して同じく透過特性を評価したところ、同様に良好な透過特性を有するものであった。
【００４７】
次に、図６に、比較例として従来技術で作製したフィルタ回路の実施例の断面図を示す。
【００４８】
図６において、91・106 は誘電体層、92・93は共振器と信号の入出力を行なう給電線、94・95は誘電体層91の上面に被着形成されたマイクロストリップライン共振器、102 は接地導体、103 は金属筐体である。この金属筐体103 はフィルタ回路の電磁波が外部に漏れることを防ぐ役割をする。104 ・105 は入出力用のコネクタである。
【００４９】
このフィルタ回路において、コネクタ104 より給電線92に信号が入力されると、この入力信号は第１単位結合部96・98を介してマイクロストリップライン共振器94に入る。マイクロストリップライン共振器94に入った信号は第３単位結合部99・100 を介してマイクロストリップライン共振器95に入り、さらに第２単位結合部101 ・97を介して給電線93に伝送され、コネクタ105 に出力される。
【００５０】
次に、この比較例のフィルタ回路の作製方法について説明する。
【００５１】
厚みが0.5 ｍｍの単結晶ＭｇＯ（１００）基板の両面上にＹＢａ2 Ｃｕ3 Ｏy （ｙ≒７）超電導薄膜をスパッタリング法により0.5 μｍの厚みで成膜した。この超電導薄膜を物理エッチングによりパターニングし、図６に示すフィルタ回路の給電線92・93とマイクロストリップライン共振器94・95を形成した。もう片面の超電導薄膜は接地導体102 とした。ここで共振器94・95はそれぞれ中心周波数の波長の約１／２の長さのライン共振器となるように構成した。
【００５２】
この基板を銅製の金属筐体に内蔵し、誘電体層106 は空気（冷却時は真空）とした。金属筐体には信号の入出力のためのＫコネクタ 104・105 を取り付けた。
【００５３】
なお、このフィルタ回路のサイズは、回路シミュレータを用いて阻止域1.6 ＧＨｚで−15ｄＢ以下の透過特性になるように最適化した。
【００５４】
このようにして作製したフィルタ回路のフィルタ特性の透過特性を結果を図７に線図で示す。この透過特性は、図６のフィルタ回路を真空チャンバ内で冷凍機を用いて70Ｋに冷却した後、ネットワークアナライザで測定した。図７においても横軸は周波数（ＧＨｚ）を、縦軸は透過特性（ｄＢ）を表わし、特性曲線は透過特性の周波数特性を示している。この結果より分かるように、阻止域での透過特性は1.6 ＧＨｚで−10ｄＢ以上であり、目標としたフィルタ特性より５ｄＢ以上特性が劣化している。この結果は、第１単位結合部96・98と第２単位結合部101 ・97とが不要な電界もしくは磁界結合をしたために生じたものと考えられる。
【００５５】
このように、従来技術による比較例のフィルタ回路では、不要な電界もしくは磁界結合のため、設計通りの阻止域での優れた減衰特性が得られないことが分かる。
【００５６】
なお、以上はあくまで本発明の実施の形態の例示であって、本発明はこれらに限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変更や改良を加えることは何ら差し支えない。
【００５７】
例えば、共振器や接地導体を被着形成する誘電体層は誘電体であれば特にその種類を限定されるものではない。ただし、超電導薄膜を成膜する場合は、良好な超電導特性が得られやすい単結晶基板（ＭｇＯ、ＬａＡｌＯ3 、サファイア等）が望ましい。なお、超電導薄膜の積層方法も、スパッタリング法や気相成長法等、超電導特性が得られる成膜方法であれば特に限定されるものではない。
【００５８】
また、共振器の厚みは全く限定されないが、接地導体の厚みは材質によって制限がある場合がある。接地導体が超電導体である場合、その電界・磁界成分が分布する超電導体内部領域は端部より磁場侵入長の長さだけであり、接地導体の厚みが磁場侵入長以上の厚みでは第３単位結合部の電界もしくは磁界結合が起こらなくなる。この磁場侵入長は超電導臨界温度直下では無限大になるが、超電導現象を安定して得るには最低でも臨界温度より５Ｋ以上の温度をあける必要がある。このときの磁場侵入長は超電導体の材料や超電導結晶の配向方向によっても異なるが、おおよそ10μｍ以下である。また超電導体の厚みが0.001 μｍ以下では誘電体層からの歪の影響により超電導特性が得られにくいものとなる。そのため、望ましい超電導接地導体の厚みは0.001 〜10μｍである。さらに、超電導薄膜のエッチング方法は、物理エッチングや化学エッチング等、特に限定されるものではない。
【００５９】
一方、接地導体が超電導体でなく常電導体である場合の接地導体の好適な厚みはこれとは異なる。常電導体は室温で用いる全ての導電性物質がこれに当てはまるが、常電導体の場合は、電界・磁界成分が分布する常電導体内部領域は端部より表皮の厚さだけである。この表皮の厚さはδ＝｛２／（ωμσ）｝1/2 で表わされる。ここでωは角周波数、μは透磁率、σは電気伝導度を示す。接地導体が金属銅の場合、周波数が２ＧＨｚで表皮の厚さは約1.5 μｍとなり、この場合の接地導体の厚みは1.5 μｍ以下が望ましい。また、他の常電導体においても、表皮の厚み以下の接地導体の厚みとすることが望ましく、これ以上の厚みでは第３単位結合部の電界もしくは磁界結合が起こらなくなる傾向がある。
【００６０】
第１もしくは第２接地導体に設ける開口のサイズは、要求される第３単位結合部の結合強度によって、大きさは自由にしてよい。ただし、不要結合を抑える観点から、同じ平面上で直接に電界もしくは磁界結合を行なわない他の共振器や給電線にまたがるような大きな開口とすることは望ましくない。また、接地導体を介して複数の電界もしくは磁界結合を行なう場合は、結合を行なう数だけ開口を設けるのが望ましい。このときにすべての開口を同じ接地導体に空ける必要はなく、第１および第２接地導体の両方に開口を設けてもかまわない。ただし、開口を設ける場所では片方の接地導体にしか設けてはいけない。
【００６１】
さらに、このフィルタ回路に用いる共振器の構造は、任意の周波数で共振現象を起こすものであれば、中心周波数の約１／２の長さのライン共振器や円板型共振器・パッチ型共振器等、特に限定されるものではない。
【００６２】
第３誘電体層は、誘電体であれば基本的に何でも使用できるが、第１接地導体と第２接地導体とを接着できるものであるのが作製上望ましい。前述の実施例ではエポキシ系接着剤を第３誘電体層として用いて接地導体同士を貼り合わせたが、この材質も、アクリル系やウレタン系等特に限定されるものではなく、この第３誘電体層の厚みも特に限定されるものではない。
【００６３】
また、実施例では第４・第５誘電体層は空気（冷却時は真空）としたが、これも特に材質が限定されるものではない。一般に、第４・第５誘電体層がガス以外の固体であれば、第１および第２共振器は基本的にストリップライン共振器と呼ばれるものとなるが、共振器がストリップライン共振器であってもマイクロストリップライン共振器であってもどちらでもよい。
【００６４】
【発明の効果】
以上のように、本発明の第１のフィルタ回路によれば、上面に第１共振器が、下面に第１接地導体が被着形成された第１誘電体層と、上面に第２接地導体が、下面に第２共振器が被着形成された第２誘電体層とを、第１および第２共振器同士が対向するようにして第１および第２接地導体同士を間に第３誘電体層を介して対面させるとともに、第１および第２共振器間に位置する第１または第２接地導体の一方に第１および第２共振器を準ＴＥＭモード同士で電磁界結合するための開口を設けたことから、所望の共振器同士を電磁界結合させつつその他の不要な電界もしくは磁界結合をなくすことができ、所望の急峻なフィルタ特性を有するフィルタ回路を正確に設計・作製することができた。
【００６５】
また、本発明の第２のフィルタ回路によれば、上面に第１共振器が、下面に第１接地導体が被着形成された第１誘電体層と、上面に第２接地導体が、下面に第２共振器が被着形成された第２誘電体層とを、第１および第２共振器同士が対向するようにして第１および第２接地導体同士を間に第３誘電体層を介して対面させるとともに、第１誘電体層上に上面に第３接地導体が被着形成された第４誘電体層を、第２誘電体層下に下面に第４接地導体が被着形成された第５誘電体層をそれぞれ積層し、第１および第２共振器間に位置する第１または第２接地導体の一方に前記第１および第２共振器をＴＥＭモード同士で電磁界結合するための開口を設けたことから、所望の共振器同士を電磁界結合させつつその他の不要な電界もしくは磁界結合をなくすことができるとともに、第４誘電体層および第５誘電体層の誘電率や第３接地導体および第４接地導体と第１共振器および第２共振器との距離を変化させることにより、第１および第２共振器間の電界もしくは磁界結合の強度を容易に変化させて簡単に制御することができ、得られるフィルタ回路のフィルタ特性を正確に調整することができた。
【００６６】
さらに、本発明の第１および第２のフィルタ回路において第１接地導体および第２接地導体を超電導体で形成したことにより、周波数に関係なく接地導体の厚みを設定できるようになった。
【００６７】
以上により、本発明によれば、共振器間もしくは共振器と給電線間の不要な電界もしくは磁界結合のない理想的なフィルタ回路を構成することができ、所望のフィルタ特性が得られるように正確に設計・作製することができるフィルタ回路を提供することができた。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１のフィルタ回路の実施の形態の一例を示す断面図である。
【図２】本発明の第２のフィルタ回路の実施の形態の一例を示す断面図である。
【図３】従来のフィルタ回路の例を示す断面図である。
【図４】本発明の第２のフィルタ回路による帯域通過フィルタ回路の実施例を示す断面図である。
【図５】本発明のフィルタ回路の実施例の透過特性を示す線図である。
【図６】フィルタ回路の比較例を示す断面図である。
【図７】比較例のフィルタ回路のフィルタ特性の透過特性を示す線図である。
【符号の説明】
１、21、41・・・第１誘電体層
２、22、42・・・第２誘電体層
３、23、43・・・第３誘電体層
37、57・・・・・第４誘電体層
38、58・・・・・第５誘電体層
６、26、46・・・第１共振器
７、27、47・・・第２共振器
８、28、48・・・第１接地導体
９、29、49・・・第２接地導体
39、59・・・・・第３接地導体
40、60・・・・・第４接地導体
16、36、56・・・開口
【発明の属する技術分野】
本発明は通信装置等で妨害信号や雑音の除去に使用される、複数の共振器を電磁界結合させて構成したフィルタ回路に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、誘電体層によって絶縁され、かつ誘電体層を介して対向する、任意の周波数の電気信号で共振をする共振器が含まれている信号線と接地導体とによって構成されるフィルタ回路においては、共振器は誘電体層の一方の主面、すなわち接地導体が形成された主面と反対側の主面上にしか構成されないのが通常であった。
【０００３】
そのような従来のフィルタ回路の構成例を図３に断面図で示す。図３において、71は誘電体層、72・73は誘電体層71の上面に被着形成された、共振器に対して信号の入出力を行なう給電線、74・75は誘電体層71の上面に被着形成されたマイクロストリップライン共振器、76・78は給電線72とマイクロストリップライン共振器74との第１単位結合部、77・81は給電線73とマイクロストリップライン共振器75との第２単位結合部、79・80はマイクロストリップライン共振器74と75との第３単位結合部、82は誘電体層71の下面に被着形成された接地導体である。
【０００４】
このフィルタ回路においては、給電線72より信号が入力されると、この入力信号は第１単位結合部76・78を介してマイクロストリップライン共振器74に入る。
【０００５】
マイクロストリップライン共振器74に入った信号は第３単位結合部79・80を介してマイクロストリップライン共振器75に入り、さらに第２単位結合部81・77を介して給電線73に出力される。すなわち、このようなフィルタ回路における各共振器74・75間もしくは共振器74・75と給電線72・73間の信号の伝達は、電界結合もしくは磁界結合によって行なわれている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記のようなフィルタ回路においては、第１単位結合部76・78と第２単位結合部77・81の間には、電界・磁界を遮断するものがないため、これらの間にフィルタ回路設計の上で不必要な共振器間もしくは共振器と給電線間の電界もしくは磁界結合も生じてしまうという問題点があった。そのため、高度な性能を必要とするフィルタ回路、例えばフィルタ回路の振幅の減衰特性を急峻に制御する必要がある帯域通過フィルタ回路等では、フィルタ回路設計の上で不必要な電界もしくは磁界結合が生じることにより、フィルタ回路の電気特性において所望の急峻な減衰特性を得られないという問題点があった。
【０００７】
本発明は上記従来技術における問題点に鑑みて案出されたものであり、その目的は、共振器間もしくは共振器と給電線間の不要な電界もしくは磁界結合を解消でき、所望のフィルタ特性が得られるように正確に設計・作製することができるフィルタ回路を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明のフィルタ回路は、上面に第１共振器が、下面に第１接地導体が被着形成された第１誘電体層と、上面に第２接地導体が、下面に第２共振器が被着形成された第２誘電体層とが、前記第１および第２共振器同士が対向するようにして前記第１および第２接地導体同士を間に第３誘電体層を介して対面しているとともに、前記第１誘電体層、第２誘電体層、および第３誘電体層を含む積層体の側面の四方を覆い、且つ前記第１接地導体および第２接地導体と電気的に接続される金属筐体が設けられており、前記第１接地導体および第２接地導体が超伝導体または常伝導体からなるとともに、前記第１、第２接地導体が超伝導体からなる場合の前記第１、第２接地導体の厚みは磁場進入長以下の厚みであり、前記第１、第２接地導体が常伝導体からなる場合の前記第１、第接地導体の厚みは表皮厚み以下の厚みであり、前記第１および第２共振器間に位置する前記第１または第２接地導体の一方に前記第１および第２共振器を準ＴＥＭモード同士で電磁界結合するための開口を設けたことを特徴とするものである。
【０００９】
また、本発明のフィルタ回路は、上面に第１共振器が、下面に第１接地導体が被着形成された第１誘電体層と、上面に第２接地導体が、下面に第２共振器が被着形成された第２誘電体層とが、前記第１および第２共振器同士が対向するようにして前記第１および第２接地導体同士を間に第３誘電体層を介して対面しているとともに、前記第１誘電体層、第２誘電体層、および第３誘電体層を含む積層体の側面の四方を覆い、且つ前記第１接地導体および第２接地導体と電気的に接続される金属筐体が設けられており、前記第１接地導体および第２接地導体が超伝導体または常伝導体からなるとともに、前記第１、第２接地導体が超伝導体からなる場合の前記第１、第２接地導体の厚みは磁場進入長以下の厚みであり、前記第１、第２接地導体が常伝導体からなる場合の前記第１、第２接地導体の厚みは表皮厚み以下の厚みであり、前記第１誘電体層上に上面に第３接地導体が被着形成された第４誘電体層を、前記第２誘電体層下に下面に第４接地導体が被着形成された第５誘電体層をそれぞれ積層し、前記第１および第２共振器間に位置する前記第１または第２接地導体の一方に前記第１および第２共振器をＴＥＭモード同士で電磁界結合するための開口を設けたことを特徴とするものである。
【００１０】
さらに、本発明のフィルタ回路は、前記第３接地導体と前記第１共振器との距離または前記第４接地導体と前記第２共振器との距離を変える調整ネジをさらに備えることを特徴とするものである。
また本発明のフィルタ回路は、前記開口は、前記第１接地導体と前記第２接地導体のうち一方にのみ形成されていることを特徴とするものである。
また本発明のフィルタ回路は、前記第３誘電体層は、前記第１接地導体と前記第２接地導体とを貼りあわせる接着剤からなり、前記開口は、前記接着剤により埋められていることを特徴とするものである。
【００１１】
【発明の実施の形態】
本発明の第１のフィルタ回路によれば、上記構成により、第１〜第３誘電体層と第１・第２接地導体を介して対向している第１および第２共振器間に位置する第１または第２接地導体の一方に開口を設けたことから、この開口を介して対向する第１および第２共振器の間では、一方の接地導体をお互いに直接共有することとなり、この接地導体を介して、この場合の各共振器を電磁波が伝搬するモードである準ＴＥＭモード同士で電界もしくは磁界結合をすることができる。これは、第３誘電体層を介して対面する第１および第２接地導体はそれぞれアースに接地されるために本来は電界や磁界を完全に遮断できるが、本発明のフィルタ回路におけるように一方の接地導体に開口を設けることにより他方の一つの接地導体をその両側で２つの共振器が共有すると、接地導体を流れる電流や磁界によって２つの共振器同士は互いに電界もしくは磁界結合をすることによるものである。しかし、その他の開口を設けていない場所でこのように一方の接地導体を直接共有しない共振器同士や共振器と給電線の間では、電界や磁界は完全に遮断されるため電界もしくは磁界結合をすることはできない。そのため、この一方の接地導体に設ける開口の位置や形状・大きさを制御することにより、所望の共振器同士を電磁界結合させつつその他の不要な電界もしくは磁界結合をなくすことができる。その結果、本発明のフィルタ回路によれば、所望の急峻なフィルタ特性を有するフィルタ回路を正確に設計・作製することが可能となる。
【００１２】
これに対し、従来のように共振器および給電線が誘電体層上の接地導体とは反対側の一方の主面上にしかない場合では、共振器間もしくは共振器と給電線間に不要な電界結合もしくは磁界結合を妨げることができる２重の接地導体がないために、遠く離れた共振器同士でも電界もしくは磁界結合を起こしてしまい、その結果、所望の急峻なフィルタ特性を有するフィルタ回路の正確な設計・作製は困難となる。
【００１３】
また、本発明の第２のフィルタ回路によれば、上記構成により、第１〜第３誘電体層と第１・第２接地導体を介して対向している第１および第２共振器間に位置する第１または第２接地導体の一方に開口を設けたことから、第１のフィルタ回路と同様に、この開口を介して対向する第１および第２共振器の間では、一方の接地導体をお互いに直接共有することとなり、この接地導体を介して、この場合の各共振器を電磁波が伝搬するモードであるＴＥＭモード同士で電界もしくは磁界結合をすることができる。
【００１４】
しかも、第４誘電体層および第５誘電体層の誘電率や第３接地導体および第４接地導体と第１共振器および第２共振器との距離を変化させることにより、電気的に接続されている第１接地導体および第２接地導体と第３接地導体および第４接地導体に加わる電界もしくは磁界の強度を分け合うことができ、それにより第１接地導体または第２接地導体の一方を介した第１および第２共振器間の電界もしくは磁界結合の強度を容易に変化させて簡単に制御することができるので、第１〜第３誘電体層と第１・第２共振器と第１・第２接地導体とでフィルタ回路を作製した後、後工程で第４・第５誘電体層と第３・第４接地導体とを積層することにより、得られるフィルタ回路のフィルタ特性を正確に調整することが可能となる。
【００１５】
また、これら本発明の第１および第２のフィルタ回路において、第１接地導体および第２接地導体を超電導体で形成した場合は、超電導体内の電界・磁界の生じる空間は磁場侵入長と呼ばれる物性値で決定されるが、この磁場侵入長と超電導体の厚みの関係により第１接地導体および第２接地導体を介した電界もしくは磁界結合の強度を変化させることができ、この超電導体の磁場侵入長は信号の周波数に依存しないため、周波数帯域の広いフィルタ回路も簡単かつ正確に設計・作製することが可能となる。
【００１６】
以下、図面に基づいて本発明のフィルタ回路を詳細に説明する。
【００１７】
図１は本発明の第１のフィルタ回路の実施の形態の一例を示す断面図である。
【００１８】
図１において、１・２および３はそれぞれ第１誘電体層・第２誘電体層および第３誘電体層、４は第１誘電体層１の上面に被着形成された、共振器と信号の入出力を行なう給電線、５は第２誘電体層２の下面に被着形成された給電線、６は第１誘電体層１の上面に被着形成された第１共振器としてのマイクロストリップライン共振器、７は第２誘電体層２の下面に被着形成された第２共振器としてのマイクロストリップライン共振器である。この給電線４と第１共振器６とでフィルタ回路の第１信号線を構成し、給電線５と第２共振器７とで第２信号線を構成する。８は第１誘電体層１の下面に被着形成された第１接地導体、９は第２誘電体層２の上面に被着形成された第２接地導体であり、これら第１接地導体８と第２接地導体９とは第３誘電体層３を介して対面している。10・12は給電線４と第１共振器６とを電界もしくは磁界結合させるための第１単位結合部、11・14は給電線５と第２共振器７とを電界もしくは磁界結合させるための第２単位結合部、13・15は対向するように配置されている第１共振器６と第２共振器７とを電界もしくは磁界結合させるための第３単位結合部である。そして、16は第１共振器６および第２共振器７間に位置する一方の接地導体、ここでは第１接地導体８に設けられた開口である。
【００１９】
このフィルタ回路において、給電線４より信号が入力されると、この入力信号は第１単位結合部10・12を介して第１共振器６に入る。第１共振器６であるマイクロストリップライン共振器における電磁波は平面波である準ＴＥＭ（Transverse ElectroMagnetic）モードで伝送するため、この第１共振器６の電磁界分布とその真下にある第１接地導体８の電磁界分布はほとんど同じとなる。そして、第１接地導体８に設けられた開口16のところのみ、第１共振器６の電磁界分布は第２接地導体９の電磁界分布を形成することとなる。次に、この電磁界分布に対応して、第２共振器７の電磁界分布が決定され、このような電磁波の伝送により、開口16を介して対向している第１共振器６と第２共振器７とは、第３単位結合部13・15を介して準ＴＥＭモード同士で電界もしくは磁界結合をすることになる。
【００２０】
そして、第２共振器７に伝送された信号は、準ＴＥＭモードで伝送され、第２単位結合部11・14を介して給電線５に出力される。
【００２１】
このとき、第１単位結合部10・12と第２単位結合部11・14は第３誘電体層３を介して対面している２重の第１および第２接地導体８・９によって電界・磁界の両方とも遮断されるため、第１および第２共振器６・７間の所望の電磁界結合以外の不要な電界もしくは磁界結合は生じることがなくなり、その結果、所望通りの急峻なフィルタ特性を有するフィルタ回路を得ることができる。
【００２２】
次に、図２は本発明の第２のフィルタ回路の実施の形態の一例を示す断面図である。
【００２３】
図２において、21・22・23・37および38はそれぞれ第１誘電体層・第２誘電体層・第３誘電体層・第４誘電体層および第５誘電体層である。24は第１誘電体層21の上面に被着形成された、共振器と信号の入出力を行なう給電線、25は第２誘電体層22の下面に被着形成された給電線である。26は第１誘電体層21の上面に被着形成された第１共振器としてのストリップライン共振器、27は第２誘電体層22の下面に被着形成された第２共振器としてのストリップライン共振器である。この給電線24と第１共振器26とでフィルタ回路の第１信号線を構成し、給電線25と第２共振器27とで第２信号線を構成する。28は第１誘電体層21の下面に被着形成された第１接地導体、29は第２誘電体層22の上面に被着形成された第２接地導体、39は第４誘電体層24の上面に被着形成された第３接地導体、40は第５誘電体層25の下面に被着形成された第４接地導体である。30・32は給電線24と第１共振器26とを電界もしくは磁界結合させるための第１単位結合部、31・34は給電線25と第２共振器27とを電界もしくは磁界結合させるための第２単位結合部、33・35は第１共振器26と第２共振器27とを電界もしくは磁界結合させるための第３単位結合部である。そして、36は第１共振器26および第２共振器27間に位置する一方の接地導体、ここでは第１接地導体28に設けられた開口である。
【００２４】
このフィルタ回路において、給電線24より信号が入力されると、この入力信号は第１単位結合部30・32を介して第１共振器26に入る。ストリップライン共振器における電磁波はＴＥＭモードで伝送するため、第１共振器26の電磁界分布とその上下にある第３接地導体39・第１接地導体28の電磁界分布はほとんど同じとなる。このとき、第４および第１誘電体層37・21の厚みと誘電率によって第３および第１接地導体39・28の電磁界強度が決定される。例えば、誘電体層が薄く第１共振器26との距離が近い接地導体の方が電磁界強度は強い。また、誘電率の大きい誘電体層の方に電磁界はより深く入り込むので、第１共振器26との間の誘電体層の誘電率の大きい接地導体の方が電磁界強度は強くなる。そして、第１接地導体28に設けられた開口36のところのみ、第１共振器26の電磁界分布は第３接地導体39と第２接地導体29の電磁界分布を形成する。この第２接地導体29の電磁界強度は第４・第１および第３誘電体層37・21・23と開口36の厚みと誘電率によって決定される。
【００２５】
次に、この電磁界分布に対応して、第２共振器27に電磁波信号が伝送される。
【００２６】
その伝送強度と分布は開口36を介して第１共振器26の電磁界分布が投影された第２接地導体29の電磁界強度と、第２および第５誘電体層22・38の厚みと誘電率によって決定される。このような電磁波の伝送により、開口36を介して対向している第１共振器26と第２共振器27とは、第３単位結合部33・35を介してＴＥＭモード同士で電界もしくは磁界結合をすることになる。そして、第２共振器27に伝送された信号は、ＴＥＭモードで伝送され、第２単位結合部31・34を介して給電線35に出力される。
【００２７】
このとき、第１単位結合部30・32と第２単位結合部31・34とは、第３誘電体層23を介して対面している２重の第１および第２接地導体28・29によって電界・磁界の両方とも遮断されるため、第１および第２共振器６・７間の所望の電磁界結合以外の不要な電界もしくは磁界結合は生じることがなくなり、その結果、所望通りの急峻なフィルタ特性を有するフィルタ回路を得ることができる。
【００２８】
さらに、この第２のフィルタ回路によれは、第４および第５誘電体層37・38の厚みと誘電率を変化させることにより、簡単に第３単位結合部33・35の結合強度を変化させて制御することができる。
【００２９】
さらに、以上の図１および図２に示す第１および第２のフィルタ回路において第１接地導体８・28および第２接地導体９・29を超電導体で形成することにより、前述のように周波数帯域の広いフィルタも簡単かつ正確に設計・作製することができる。
【００３０】
【実施例】
次に、本発明のフィルタ回路について具体例を説明する。
【００３１】
図４に、本発明の第２のフィルタ回路による中心周波数が２ＧＨｚ、通過帯域幅が約20ＭＨｚの帯域通過フィルタ回路の実施例の断面図を示す。
【００３２】
図４において、41・42・43・57および58はそれぞれ第１誘電体層・第２誘電体層・第３誘電体層・第４誘電体層および第５誘電体層である。66および67はそれぞれ信号の入出力を行なうコネクタである。44は第１誘電体層41の上面に被着形成されてコネクタ66の中心導体と電気的に接続され、かつ共振器と信号の入出力を行なう給電線、45は第２誘電体層42の下面に被着形成されてコネクタ67の中心導体と電気的に接続され、かつ共振器と信号の入出力を行なう給電線である。46は第１誘電体層41の上面に被着形成された第１共振器としてのストリップライン共振器、47は第２誘電体層42の下面に被着形成された第２共振器としてのストリップライン共振器である。この給電線44と第１共振器46とでフィルタ回路の第１信号線を構成し、給電線45と第２共振器47とで第２信号線を構成する。48は第１誘電体層41の下面に被着形成された第１接地導体、49は第２誘電体層42の上面に被着形成された第２接地導体、59は第４誘電体層57の上面に被着形成された第３接地導体、60は第５誘電体層58の下面に被着形成された第４接地導体である。
【００３３】
61はこのフィルタ回路の四方の側面を覆う金属筐体である。この金属筐体61は第１〜第４接地導体48・49・59・60と隙間なく電気的に接続されて、フィルタ回路の電磁波が外部に漏れるのを防ぐ役割をする。そして、金属筐体61は入出力用コネクタ66・67の外導体とも電気的に接続される。また、第３接地導体59は調整ネジ62・63によって給電線44・第１共振器46との距離を変化させることができる。また、第４接地導体60も同様に調整ネジ64・65によって給電線45・第２共振器47との距離を変化させることができる。
【００３４】
50・52は給電線44と第１共振器46とを電界もしくは磁界結合させるための第１単位結合部、51・54は給電線45と第２共振器47とを電界もしくは磁界結合させるための第２単位結合部、53・55は第１共振器46と第２共振器47を電界もしくは磁界結合させるための第３単位結合部である。そして、56は第１共振器46および第２共振器47間に位置する一方の接地導体、ここでは第１接地導体48に設けられた開口である。
【００３５】
このフィルタ回路において、コネクタ66より給電線44に信号が入力されると、この入力信号は第１単位結合部50・52を介して第１共振器46に入る。ストリップライン共振器における電磁波はＴＥＭモードで伝送するため、第１共振器46の電磁界分布とその上下にある第３接地導体59・第１接地導体48の電磁界分布はほとんど同じとなり、第４および第１誘電体層57・41の厚みと誘電率によって第３および第１接地導体59・48の電磁界強度が決定される。そして、第１接地導体48に設けられた開口56のところのみ、第１共振器46の電磁界分布は第３接地導体59と第２接地導体49の電磁界分布を形成する。この第２接地導体49の電磁界強度は第４・第１および第３誘電体層57・41・43と開口56の厚みと誘電率によって決定される。
【００３６】
次に、この電磁界分布に対応して、第２共振器47に電磁波信号が伝送される。
【００３７】
その伝送強度と分布は開口56を介して第１共振器46の電磁界分布が投影された第２接地導体49の電磁界強度と、第２および第５誘電体層42・58の厚みと誘電率によって決定される。このような電磁波の伝送により、開口56を介して対向している第１共振器46と第２共振器47とは、第３単位結合部53・55を介してＴＥＭモード同士で電界もしくは磁界結合をすることになる。
【００３８】
このとき、調整ネジ62・63・64・65により第３接地導体59と第１共振器46との距離および第４接地導体60と第２共振器47との距離を変化させることにより、第３単位結合部53・55を介した電界もしくは磁界結合の強度を変化させることができる。
【００３９】
そして第２共振器47に伝送された信号は、第２単位結合部51・54を介して給電線55に伝送され、コネクタ67より出力される。
【００４０】
次に、このようなフィルタ回路の作製方法について説明する。
【００４１】
厚みが0.5 ｍｍの２枚の単結晶ＭｇＯ（１００）基板の両面上にＹＢａ2 Ｃｕ3 Ｏy （ｙ≒７）超電導薄膜をスパッタリング法により0.5 μｍの厚みで成膜した。この超電導薄膜を物理エッチングによりパターニングし、図４に示すフィルタ回路の給電線44・45と第１および第２共振器46・47と開口56を形成した。ここで第１および第２共振器46・47はそれぞれ中心周波数の波長の約１／２の長さのライン共振器となるように構成した。
【００４２】
次に、この２枚の基板をエポキシ系接着剤で第１および第２接地導体48・49同士を対面させて貼り合わせ、この接着剤を第３誘電体層43とした。なお、この第３誘電体層43の厚みは約50μｍとした。また、この接着剤により開口56は埋められている。
【００４３】
次に、この貼り合わせた基板をネジによって高さの変えられる銅製の金属筐体に内蔵した。そして、第４および第５誘電体層57・58は空気（冷却時は真空）とし、金属筐体には信号の入出力のためのＫコネクタ66・67を取り付けた。なお、このフィルタ回路のサイズは、回路シミュレータを用いて阻止域1.6 ＧＨｚで−15ｄＢ以下の透過特性になるように最適化した。
【００４４】
このようにして作製したフィルタ回路のフィルタ特性の透過特性を結果を図５に線図で示す。この透過特性は、図４に示す構成のフィルタ回路を真空チャンバ内で冷凍機を用いて70Ｋに冷却した後、ネットワークアナライザで測定した。図５において横軸は周波数（ＧＨｚ）を、縦軸は透過特性（ｄＢ）を表わし、特性曲線は透過特性の周波数特性を示している。この結果より分かるように、阻止域での透過特性は1.6 ＧＨｚで−15ｄＢ以下であり、目標としたフィルタ特性とほぼ同等のフィルタ特性を有している。この結果は、第１単位結合部50・52と第２単位結合部51・54は第３誘電体層43を介して対面している第１および第２接地導体48・49によって電界・磁界の両方とも遮断されているため、不要な電界もしくは磁界結合が発生していないために回路シミュレータで設計した値を示したものと考えられる。
【００４５】
これにより、本発明の構造によれば、不要な電磁界結合が抑制でき、設計通りの透過特性を有するフィルタ回路を作製できることが確認できた。
【００４６】
なお、同様のフィルタ回路を本発明の第１のフィルタ回路により作製して同じく透過特性を評価したところ、同様に良好な透過特性を有するものであった。
【００４７】
次に、図６に、比較例として従来技術で作製したフィルタ回路の実施例の断面図を示す。
【００４８】
図６において、91・106 は誘電体層、92・93は共振器と信号の入出力を行なう給電線、94・95は誘電体層91の上面に被着形成されたマイクロストリップライン共振器、102 は接地導体、103 は金属筐体である。この金属筐体103 はフィルタ回路の電磁波が外部に漏れることを防ぐ役割をする。104 ・105 は入出力用のコネクタである。
【００４９】
このフィルタ回路において、コネクタ104 より給電線92に信号が入力されると、この入力信号は第１単位結合部96・98を介してマイクロストリップライン共振器94に入る。マイクロストリップライン共振器94に入った信号は第３単位結合部99・100 を介してマイクロストリップライン共振器95に入り、さらに第２単位結合部101 ・97を介して給電線93に伝送され、コネクタ105 に出力される。
【００５０】
次に、この比較例のフィルタ回路の作製方法について説明する。
【００５１】
厚みが0.5 ｍｍの単結晶ＭｇＯ（１００）基板の両面上にＹＢａ2 Ｃｕ3 Ｏy （ｙ≒７）超電導薄膜をスパッタリング法により0.5 μｍの厚みで成膜した。この超電導薄膜を物理エッチングによりパターニングし、図６に示すフィルタ回路の給電線92・93とマイクロストリップライン共振器94・95を形成した。もう片面の超電導薄膜は接地導体102 とした。ここで共振器94・95はそれぞれ中心周波数の波長の約１／２の長さのライン共振器となるように構成した。
【００５２】
この基板を銅製の金属筐体に内蔵し、誘電体層106 は空気（冷却時は真空）とした。金属筐体には信号の入出力のためのＫコネクタ 104・105 を取り付けた。
【００５３】
なお、このフィルタ回路のサイズは、回路シミュレータを用いて阻止域1.6 ＧＨｚで−15ｄＢ以下の透過特性になるように最適化した。
【００５４】
このようにして作製したフィルタ回路のフィルタ特性の透過特性を結果を図７に線図で示す。この透過特性は、図６のフィルタ回路を真空チャンバ内で冷凍機を用いて70Ｋに冷却した後、ネットワークアナライザで測定した。図７においても横軸は周波数（ＧＨｚ）を、縦軸は透過特性（ｄＢ）を表わし、特性曲線は透過特性の周波数特性を示している。この結果より分かるように、阻止域での透過特性は1.6 ＧＨｚで−10ｄＢ以上であり、目標としたフィルタ特性より５ｄＢ以上特性が劣化している。この結果は、第１単位結合部96・98と第２単位結合部101 ・97とが不要な電界もしくは磁界結合をしたために生じたものと考えられる。
【００５５】
このように、従来技術による比較例のフィルタ回路では、不要な電界もしくは磁界結合のため、設計通りの阻止域での優れた減衰特性が得られないことが分かる。
【００５６】
なお、以上はあくまで本発明の実施の形態の例示であって、本発明はこれらに限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変更や改良を加えることは何ら差し支えない。
【００５７】
例えば、共振器や接地導体を被着形成する誘電体層は誘電体であれば特にその種類を限定されるものではない。ただし、超電導薄膜を成膜する場合は、良好な超電導特性が得られやすい単結晶基板（ＭｇＯ、ＬａＡｌＯ3 、サファイア等）が望ましい。なお、超電導薄膜の積層方法も、スパッタリング法や気相成長法等、超電導特性が得られる成膜方法であれば特に限定されるものではない。
【００５８】
また、共振器の厚みは全く限定されないが、接地導体の厚みは材質によって制限がある場合がある。接地導体が超電導体である場合、その電界・磁界成分が分布する超電導体内部領域は端部より磁場侵入長の長さだけであり、接地導体の厚みが磁場侵入長以上の厚みでは第３単位結合部の電界もしくは磁界結合が起こらなくなる。この磁場侵入長は超電導臨界温度直下では無限大になるが、超電導現象を安定して得るには最低でも臨界温度より５Ｋ以上の温度をあける必要がある。このときの磁場侵入長は超電導体の材料や超電導結晶の配向方向によっても異なるが、おおよそ10μｍ以下である。また超電導体の厚みが0.001 μｍ以下では誘電体層からの歪の影響により超電導特性が得られにくいものとなる。そのため、望ましい超電導接地導体の厚みは0.001 〜10μｍである。さらに、超電導薄膜のエッチング方法は、物理エッチングや化学エッチング等、特に限定されるものではない。
【００５９】
一方、接地導体が超電導体でなく常電導体である場合の接地導体の好適な厚みはこれとは異なる。常電導体は室温で用いる全ての導電性物質がこれに当てはまるが、常電導体の場合は、電界・磁界成分が分布する常電導体内部領域は端部より表皮の厚さだけである。この表皮の厚さはδ＝｛２／（ωμσ）｝1/2 で表わされる。ここでωは角周波数、μは透磁率、σは電気伝導度を示す。接地導体が金属銅の場合、周波数が２ＧＨｚで表皮の厚さは約1.5 μｍとなり、この場合の接地導体の厚みは1.5 μｍ以下が望ましい。また、他の常電導体においても、表皮の厚み以下の接地導体の厚みとすることが望ましく、これ以上の厚みでは第３単位結合部の電界もしくは磁界結合が起こらなくなる傾向がある。
【００６０】
第１もしくは第２接地導体に設ける開口のサイズは、要求される第３単位結合部の結合強度によって、大きさは自由にしてよい。ただし、不要結合を抑える観点から、同じ平面上で直接に電界もしくは磁界結合を行なわない他の共振器や給電線にまたがるような大きな開口とすることは望ましくない。また、接地導体を介して複数の電界もしくは磁界結合を行なう場合は、結合を行なう数だけ開口を設けるのが望ましい。このときにすべての開口を同じ接地導体に空ける必要はなく、第１および第２接地導体の両方に開口を設けてもかまわない。ただし、開口を設ける場所では片方の接地導体にしか設けてはいけない。
【００６１】
さらに、このフィルタ回路に用いる共振器の構造は、任意の周波数で共振現象を起こすものであれば、中心周波数の約１／２の長さのライン共振器や円板型共振器・パッチ型共振器等、特に限定されるものではない。
【００６２】
第３誘電体層は、誘電体であれば基本的に何でも使用できるが、第１接地導体と第２接地導体とを接着できるものであるのが作製上望ましい。前述の実施例ではエポキシ系接着剤を第３誘電体層として用いて接地導体同士を貼り合わせたが、この材質も、アクリル系やウレタン系等特に限定されるものではなく、この第３誘電体層の厚みも特に限定されるものではない。
【００６３】
また、実施例では第４・第５誘電体層は空気（冷却時は真空）としたが、これも特に材質が限定されるものではない。一般に、第４・第５誘電体層がガス以外の固体であれば、第１および第２共振器は基本的にストリップライン共振器と呼ばれるものとなるが、共振器がストリップライン共振器であってもマイクロストリップライン共振器であってもどちらでもよい。
【００６４】
【発明の効果】
以上のように、本発明の第１のフィルタ回路によれば、上面に第１共振器が、下面に第１接地導体が被着形成された第１誘電体層と、上面に第２接地導体が、下面に第２共振器が被着形成された第２誘電体層とを、第１および第２共振器同士が対向するようにして第１および第２接地導体同士を間に第３誘電体層を介して対面させるとともに、第１および第２共振器間に位置する第１または第２接地導体の一方に第１および第２共振器を準ＴＥＭモード同士で電磁界結合するための開口を設けたことから、所望の共振器同士を電磁界結合させつつその他の不要な電界もしくは磁界結合をなくすことができ、所望の急峻なフィルタ特性を有するフィルタ回路を正確に設計・作製することができた。
【００６５】
また、本発明の第２のフィルタ回路によれば、上面に第１共振器が、下面に第１接地導体が被着形成された第１誘電体層と、上面に第２接地導体が、下面に第２共振器が被着形成された第２誘電体層とを、第１および第２共振器同士が対向するようにして第１および第２接地導体同士を間に第３誘電体層を介して対面させるとともに、第１誘電体層上に上面に第３接地導体が被着形成された第４誘電体層を、第２誘電体層下に下面に第４接地導体が被着形成された第５誘電体層をそれぞれ積層し、第１および第２共振器間に位置する第１または第２接地導体の一方に前記第１および第２共振器をＴＥＭモード同士で電磁界結合するための開口を設けたことから、所望の共振器同士を電磁界結合させつつその他の不要な電界もしくは磁界結合をなくすことができるとともに、第４誘電体層および第５誘電体層の誘電率や第３接地導体および第４接地導体と第１共振器および第２共振器との距離を変化させることにより、第１および第２共振器間の電界もしくは磁界結合の強度を容易に変化させて簡単に制御することができ、得られるフィルタ回路のフィルタ特性を正確に調整することができた。
【００６６】
さらに、本発明の第１および第２のフィルタ回路において第１接地導体および第２接地導体を超電導体で形成したことにより、周波数に関係なく接地導体の厚みを設定できるようになった。
【００６７】
以上により、本発明によれば、共振器間もしくは共振器と給電線間の不要な電界もしくは磁界結合のない理想的なフィルタ回路を構成することができ、所望のフィルタ特性が得られるように正確に設計・作製することができるフィルタ回路を提供することができた。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１のフィルタ回路の実施の形態の一例を示す断面図である。
【図２】本発明の第２のフィルタ回路の実施の形態の一例を示す断面図である。
【図３】従来のフィルタ回路の例を示す断面図である。
【図４】本発明の第２のフィルタ回路による帯域通過フィルタ回路の実施例を示す断面図である。
【図５】本発明のフィルタ回路の実施例の透過特性を示す線図である。
【図６】フィルタ回路の比較例を示す断面図である。
【図７】比較例のフィルタ回路のフィルタ特性の透過特性を示す線図である。
【符号の説明】
１、21、41・・・第１誘電体層
２、22、42・・・第２誘電体層
３、23、43・・・第３誘電体層
37、57・・・・・第４誘電体層
38、58・・・・・第５誘電体層
６、26、46・・・第１共振器
７、27、47・・・第２共振器
８、28、48・・・第１接地導体
９、29、49・・・第２接地導体
39、59・・・・・第３接地導体
40、60・・・・・第４接地導体
16、36、56・・・開口
Claims (5)
- 上面に第１共振器が、下面に第１接地導体が被着形成された第１誘電体層と、上面に第２接地導体が、下面に第２共振器が被着形成された第２誘電体層とが、前記第１および第２共振器同士が対向するようにして前記第１および第２接地導体同士を間に第３誘電体層を介して対面しているとともに、前記第１誘電体層、第２誘電体層、および第３誘電体層を含む積層体の側面の四方を覆い、且つ前記第１接地導体および第２接地導体と電気的に接続される金属筐体が設けられており、
前記第１接地導体および第２接地導体が超伝導体または常伝導体からなるとともに、前記第１、第２接地導体が超伝導体からなる場合の前記第１、第２接地導体の厚みは磁場進入長以下の厚みであり、前記第１、第２接地導体が常伝導体からなる場合の前記第１、第接地導体の厚みは表皮厚み以下の厚みであり、
前記第１および第２共振器間に位置する前記第１または第２接地導体の一方に前記第１および第２共振器を準ＴＥＭモード同士で電磁界結合するための開口を設けたことを特徴とするフィルタ回路。 - 上面に第１共振器が、下面に第１接地導体が被着形成された第１誘電体層と、上面に第２接地導体が、下面に第２共振器が被着形成された第２誘電体層とが、前記第１および第２共振器同士が対向するようにして前記第１および第２接地導体同士を間に第３誘電体層を介して対面しているとともに、前記第１誘電体層、第２誘電体層、および第３誘電体層を含む積層体の側面の四方を覆い、且つ前記第１接地導体および第２接地導体と電気的に接続される金属筐体が設けられており、
前記第１接地導体および第２接地導体が超伝導体または常伝導体からなるとともに、前記第１、第２接地導体が超伝導体からなる場合の前記第１、第２接地導体の厚みは磁場進入長以下の厚みであり、前記第１、第２接地導体が常伝導体からなる場合の前記第１、第２接地導体の厚みは表皮厚み以下の厚みであり、
前記第１誘電体層上に上面に第３接地導体が被着形成された第４誘電体層を、前記第２誘電体層下に下面に第４接地導体が被着形成された第５誘電体層をそれぞれ積層し、前記第１および第２共振器間に位置する前記第１または第２接地導体の一方に前記第１および第２共振器をＴＥＭモード同士で電磁界結合するための開口を設けたことを特徴とするフィルタ回路。 - 前記第３接地導体と前記第１共振器との距離または前記第４接地導体と前記第２共振器との距離を変える調整ネジをさらに備えることを特徴とする請求項２記載のフィルタ回路。
- 前記開口は、前記第１接地導体と前記第２接地導体のうち一方にのみ形成されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載のフィルタ回路。
- 前記第３誘電体層は、前記第１接地導体と前記第２接地導体とを貼りあわせる接着剤からなり、前記開口は、前記接着剤により埋められていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載のフィルタ回路。
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