JP4180635B2 - 短い長さのマイクロストリップ・フィルタ - Google Patents

Description

本発明は、高周波マイクロストリップ・フィルタに関する。

高周波範囲において、フィルタの構成でのマイクロストリップの使用が知られる。マイクロストリップは、絶縁性基板に取り付けられた帯状の平たい導電体である。対応する変数（寸法、基板材質の誘電率）を適切に選択することによって、マイクロストリップが問題の周波数での所望の周波数応答を有することが可能である。フィルタ構造を構成するために、マイクロストリップ及びキャパシタからなる共振器を形成することが知られる。お互いに並列に、且つ隔たって通るマイクロストリップは、電磁気的に結合されている。部品の値及び寸法、並びに、お互いに対するそれらの配置を適切に選択することによって、所望のフィルタ特性が設定されうる。

例えば、このようなフィルタは、高周波（HF）の送信器又は受信器において使用される。この場合、例えば、帯域通過フィルタが、周波数選択を可能にするために必要である。これは、調整可能な中間周波数を有するフィルタによって達成されても良い。調整可能フィルタはまた、可変キャパシタを用いて、例えば、容量性ダイオード（バラクタ）の形で構成されても良い。

US-A6,072,999は、可変フィルタを有する受信器を開示している。該フィルタは、マイクロストリップで構成されている。共振器は、いずれの場合でも、マイクロストリップ及びキャパシタ集合から形成され、該キャパシタ集合は、固定キャパシタ及び容量性ダイオードの直列回路から成る。第一の共振器は入力に接続され、第二の共振器は出力に接続されている。該第一及び第二の共振器のマイクロストリップは、お互いに並列に、且つ隔たって通り、電磁気的に結合されている。フィルタは帯域通過特性を示し、中間周波数は、約1から3GHzの範囲内で変化する。二つの共振器を有する基本的なフィルタ構造に加え、付加的な、該共振器間で電磁気的に結合されているマイクロストリップを有する例も与えられている。

更に、US-A-2000/0093400は、マイクロストリップを有する様々なHFフィルタを開示している。該フィルタは、いずれの場合にもマイクロストリップ及びキャパシタから形成される複数の共振器を有する。該マイクロストリップは、お互いに並列に、且つ隔たって通り、電磁気的に結合されている。入力及び出力は、外側のマイクロストリップへの直接的な接続によって、あるいは、電磁気的な結合によって、共振器に結合されている。

電気回路を設計する際、費用を低減することが常に目的となる。従って、可能な限り少ない部品を用いての回路の単純な設計が望まれる。他の目的は、電気及び電子部品の大きさをできる限り小さく保つことである。マイクロストリップの場合、寸法は電気応答にとって重要であるので、この場合には厳しい制限がフィルタに与えられる。マイクロストリップの長さは、電気応答を変えることなく低減され得ない。

従って、本発明の目的は、マイクロストリップを有し、少なくとも一つの寸法において小規模である高周波フィルタを提案することである。

この目的は、請求項１記載のフィルタによって達成される。従属する請求項は、本発明の有利な実施例に関する。

本発明によるフィルタは、少なくとも二つの共振器を有し、それらのうちの一つは入力に結合され、もう一つは出力に結合されている。一つの望ましい実施例において、フィルタは、これら二つの共振器のみを有する。しかし、フィルタが更なる共振器を有することも可能である。

少なくとも両共振器、望ましくは全ての共振器は、周波数決定要素として、いずれの場合にも、二つの真っ直ぐなマイクロストリップ及びキャパシタ集合を有する。周波数決定要素を有する時、フィルタの所望の周波数範囲でフィルタ特性に影響を及ぼすもののみが考慮される。以下で更に詳細に記述されるように、共振器は、例えば、フィルタを変更するために可変電圧に接続されうる可変キャパシタを有しても良い。しかし、このような接続、及びこれに対して使用される部品は、フィルタの動作周波数範囲での動的応答に著しくは影響を及ぼさないので、共振器の周波数決定要素とみなされない。

本発明の主たる考えは、共振器のマイクロストリップを二つのマイクロストリップ部分に分けることによって、該共振器の全体の長さを低減することである。これらマイクロストリップ部分は、お互いの隣で並列に通る。望ましくは、第一及び第二のマイクロストリップ部分は、同じ長さである。この場合、実際の共振器は、夫々のマイクロストリップ部分によって形成されないが、むしろ第一及び第二のマイクロストリップ部分は、キャパシタ集合と共に、共振器を形成する。望ましくは、結果として得られるフィルタが、マイクロストリップ部分の数の半分に対応するフィルタ次数を有することが望ましい。これはフィルタを、夫々のマイクロストリップが実際の共振器の部分を常に形成する既知のフィルタ構造と区別するので、その結果は更に高い次数のフィルタである。マイクロストリップ部分の第一の末端は、キャパシタ集合を介してもう一方と接続されている。一方で、反対側にある第二の末端は、接地に接続されている。左右方向において、このように形成された共振器は、既知のフィルタ構造の共振器よりも相当に小さい。

所望のフィルタ特性を作るために、フィルタの共振器は、電磁気的にお互いに結合される。この目的のために、いずれの場合にも一つのマイクロストリップ部分は、他の共振器のマイクロストリップの隣に並列に通る。フィルタ特性は、結合の程度によって適切に調整されうる。望ましくは、共振器は電磁気的にのみ結合される。即ち、共通の接地接続に至るまで、周波数決定要素は直接的に接続されない。

キャパシタ集合は、一つ又はそれ以上の構成要素を有する。キャパシタ集合の容量は、一定又は可変である。一つの望ましい実施例において、キャパシタ集合は、固定キャパシタ及び可変キャパシタ、例えば容量性ダイオードの直列回路を有する。望ましくは、キャパシタ集合内の容量性ダイオードは、高インピーダンス抵抗を介して可変電圧に接続され、容量は可変電圧によって調整されうる。キャパシタ集合が、容量性ダイオードに加えて更なるキャパシタを有することは望ましく、両方がいずれの場合にも一つのマイクロストリップ部分に接続されている。その時、直流バイアス電圧によって容量性ダイオードの容量を調整することが可能である。

第一の共振器の入力の結合は、第一の共振器のマイクロストリップ部分への入力の直接的な接続によって影響を及ぼされても良い。望ましくは、T型構造は、その時、マイクロストリップ部分及び結合マイクロストリップから形成される。結合マイクロストリップは、マイクロストリップ部分に交差する。交差点が中央に位置する必要はなく、むしろ、位置は、結合のインピーダンスを整合するために適切に選ばれうる。第一の共振器への入力の直接的な接続の代わりとして、電磁的な結合がまた選ばれても良い。第一の結合マイクロストリップ、及びそれに対して垂直に通る第二の結合マイクロストリップから成る構造が形成される。望ましくは、第一及び第二の結合マイクロストリップは、L型で配置される。第二の結合マイクロストリップは、第一の共振器のマイクロストリップ部分の隣に並列に通り、第一の共振器のマイクロストリップ部分に電磁気的に結合される。

入力に関する上述の結合の実現性はまた、出力に関しても適用される。用途によって、異なる（対称、非対称）入力／出力がフィルタに接続されても良い。望ましくは、フィルタ自体は、対称であるように設計される。

一つの望ましい実施例において、フィルタは絶縁性の基板上に構成され、マイクロストリップ部分は正面に通され、接地に接続されている誘電層は背面に存在する。いずれの場合にも、望ましくは、共振器のマイクロストリップ部分の第二の末端は、基板の背面への貫通接続を有する。

本発明は、図で示されている実施例を参照して更に詳細に記述されるが、本発明はこれに限定されない。

一般的に、本発明は、高周波範囲、即ち500MHz以上の周波数でのフィルタに関する。

実施例で示されているフィルタは、1.8から2.3GHzの周波数範囲に対して提供される。デジタルビデオデータ（DVB-RCS）用高周波送信器において、QPSK変調信号が発生すべきであり、この信号において、望ましくない側波帯が少なくとも60dBcまで減じられる。使用されるフィルタは、500MHzの範囲で可変であるべきである。

図１は、この目的のために提案された第一のフィルタ回路10の図を示す。図は部分的に幾何学的であり、原則的には、使用されるマイクロストリップの形状及び夫々の配置が示されている。

フィルタ10は、入力12及び出力14を有する。第一の共振器16は、入力12に接続されている。第二の共振器18は、出力14に接続されている。共振器16、18は、お互いに対称的であるように設計され、お互いに電磁気的に結合されている。フィルタ10は、可変電圧VTに対して接続20を有する。夫々の共振器は、容量性ダイオード24及び固定キャパシタ26から成るキャパシタ集合22を有する。容量性ダイオード24及びキャパシタ26は、直列に接続されている。容量性ダイオード24の陰極は、高インピーダンス抵抗R及び更なる終端抵抗R_Tを介して、可変電圧に接続されている。Rの抵抗値は、少なくとも5kΩ、望ましくは10から100kΩである。

更に、夫々の共振器16、18は、第一のマイクロストリップ部分28及び第二のマイクロストリップ部分30を有する。キャパシタ集合22は、マイクロストリップ部分28、30の第一の末端間に接続されている。第二の末端は、接地に接続されている。第一及び第二のマイクロストリップ部分28、30は、お互いの隣に配置され、電磁気的な結合を生ずる。しかし、この結合は、動作にとって重大ではない。結合が可能な限り低いように、ある程度離して部分28、30を配置することが、更に望ましい。

キャパシタ集合22の二つの要素、即ち固定キャパシタ26及び容量性ダイオード24は、いずれの場合にもマイクロストリップ部分28、30の一つの末端に接続されている。高インピーダンス抵抗Rは、要素24、26の夫々の反対側の接続に接続されている。容量性ダイオード24の陽極は、第一のマイクロストリップ部分28を介して、接地に接続されている。これは、容量性ダイオード24の非導電方向で適切な直流電圧を適切な可変電圧VTで印加することを可能にするので、容量は範囲内で適切に調整されうる。固定キャパシタ26は、印加された直流電圧VTに関して開回路として働く。該固定キャパシタは、第二のマイクロストリップ部分30がその第二の末端で接地に接続されているので、容量性ダイオード24を介して直流電圧を発生させる必要がある。

第一の共振器16及び第二の共振器18は、同一構造から成り、可変電圧VTに同一の様態で接続される。従って、二つの共振器16、18の応答は、結果として生じる許容誤差に至るまで同一である。

図２は、図１のフィルタ10の図を示し、図中には周波数決定要素が示されている。キャパシタ集合22は、可変キャパシタとして示されている。いずれの場合にも、共振器16、18の第二のマイクロストリップ部分30は、共振器16、18が電磁気的に結合されるように、お互いの隣に並行に、隔たって通る。従って、帯域通過フィルタ特性は、入力12と出力14との間の全体で作られ、中間周波数は、可変キャパシタ24を用いて調整されうる。

この場合、マイクロストリップ部分28、30はいずれの場合にも、独立な共振器として作用しないが、むしろいずれの場合にも第一および第二のマイクロストリップ部分28、30は、キャパシタ集合22と共に、共振器を形成する。その結果、フィルタ特性は二次から成る。従って、フィルタの次数は、マイクロストリップ部分の数の半分に相当する。夫々の共振器16、18において、二つのマイクロストリップ部分の和は、誘導要素として作用する。従って、共振器16、18は、単一のマイクロストリップを有する共振器と同様の様態で動作する。単一のマイクロストリップの長さは、第一のマイクロストリップ部分28及び第二のマイクロストリップ部分30の長さの和に本質的に対応する。従って、図２で示されている左右方向Lでのフィルタ回路10の大きさは、部分に分けられない全く一つのマイクロストリップをいずれの場合にも有する共振器を使用する時よりも相当に小さい。

フィルタ10では、共振器16、18は、入力及び出力12、14に直接的な接続によって結合されている。即ち、マイクロストリップ部分28、30に対して垂直方向に通る結合マイクロストリップ32は、対称的な様態で入力及び出力12、14に接続されている。結合マイクロストリップ32は、いずれの場合にも、共振器16、18の第一のマイクロストリップ部分28に交差する。示されている例において、結合は中央で行われる。これは、マイクロストリップ部分28及び結合マイクロストリップ32から成るT型構造を生ずる。入力及び／出力12、14のインピーダンスを適切に整合するために、交差点はまた、マイクロストリップ部分28の一つ又は他の末端に動かされうる。

図３は、第二のフィルタ回路40を示す。当該フィルタ回路は、その構造に関して、図１のフィルタ回路10に大部分は対応する。同一の要素は同じ参照数字を有する。以下で、図１の回路10との違いが述べられている。

回路10と比較すると、回路40において入力及び出力12、14は電磁気的に結合されている。結合は、この場合、入力及び出力12、14に接続され、マイクロストリップ部分28、30に対して垂直に通る第一の結合マイクロストリップ42を有する。第一の結合マイクロストリップ42は、共振器16、18の第一のマイクロストリップ部分28に僅かに隔たって並列に通る第二の結合マイクロストリップ44と共に、L型構造を形成する。第二の結合マイクロストリップ44の末端は、接地に接続されている
第二の結合マイクロストリップは、第一のマイクロストリップ部分28と密に電磁気的に結合しているので、入力12からの信号は第一の共振器16に結合され、第二の共振器18の出力は出力14に結合される。

次に、図４は、フィルタ回路40の周波数決定要素を示す。

図５は、回路40に基づいて構成されたフィルタ50を示す。暗領域は、絶縁性基板上の銅の構造である。絶縁性基板の背面では、接地に接続されている導電層が存在する。フィルタ50は、入力12及び出力14、並びに可変電圧VTに対する接続も有する。高インピーダンス抵抗Rは、固定キャパシタ26及び容量性ダイオード28のように、基板の表面上に半田付けされた個別部品である。個別部品の使用は、望ましくは使用される数pFのキャパシタにおいて有利である。代案として、部品、特に低い容量を有するキャパシタはまた、印刷された部品として基板に加えられても良い。共振器16、18の結合マイクロストリップ42、44並びに第一及び第二のマイクロストリップ部分30、28は、図３で示されたような配置によって形成される。接地への接続は、基板の背面への貫通接続52によって形成される。

フィルタ50は、12nmの幅及び僅か10nmの長さを有する。しかし、夫々の基板のマイクロストリップの効率的な長さは、個々のマイクロストリップ部分28、30の和に対応し、従って、この方向ではフィルタ50の長さ10nm以上である。

図６は、異なる中間周波数でのフィルタ6のフィルタ特性を示す。dBc単位の減衰がMHz単位の周波数に対して示されている。可変電圧VTの三つの異なる値、即ち三つの異なる容量に関する特性が示されている。

フィルタ回路の上述の実施例において、いずれの場合にも二つの共振器が設けられ、二次のフィルタ応答を生ずる。更なる共振器が、第一及び第二の共振器の間に設けられることが可能であり、該更なる共振器のマイクロストリップ部分は、第一及び第二の共振器16、18のマイクロストリップ部分28、30に並列に通り、第一及び第二の共振器16、18のマイクロストリップ部分28、30に電磁気的に結合される。

フィルタに対する更なる可能な変形は、入力12及び出力14の結合に関する。この場合、当業者に知られる様々な方式の結合が選択されても良い。特に、非対称な結合が選択されても良い。

第一のフィルタ回路の部分的に幾何学的な図を示す。 図１のフィルタ回路の周波数決定要素の部分的に幾何学的な図を示す。 第二のフィルタ回路の部分的に幾何学的な図を示す。 図３のフィルタ回路の周波数決定要素の部分的に幾何学的な図を示す。 フィルタの正面の図を示す。 異なる中間周波数でのフィルタ特性の図を示す。

Claims (9)

1. 入力及び出力と、
   一つの共振器が該入力に結合され、他の共振器が該出力に結合されている、少なくとも二つの共振器とを有し、
   夫々の共振器は、周波数決定要素として、第一の真っ直ぐなマイクロストリップ部分、第二の真っ直ぐなマイクロストリップ部分及びキャパシタ集合を有し、
   夫々の共振器において該キャパシタ集合は、いずれの場合にも該マイクロストリップ部分の第一の末端間に接続され、夫々の共振器は、該マイクロストリップ部分の第二の末端で接地にのみ接続され、
   該第一及び第二のマイクロストリップ部分は、お互いの隣に並列に配置され、
   いずれの場合にも該共振器の該マイクロストリップ部分の一つは、お互いの隣に並列に、隔たって配置されている該共振器の該マイクロストリップ部分によって、更なる共振器の該マイクロストリップ部分の少なくとも一つに電磁気的に結合され、
   前記入力と前記出力との間で、該共振器のマイクロストリップ部分の数の半分に対応する次数のフィルタ応答が存在することを特徴とするフィルタ回路。
2. 該キャパシタ集合は、少なくとも一つの可変キャパシタを有することを特徴とする、請求項１記載のフィルタ。
3. 該キャパシタ集合は、固定キャパシタ及び可変キャパシタの直列回路を有することを特徴とする、請求項２記載のフィルタ。
4. 該キャパシタ集合は、高インピーダンス抵抗Rを介して可変電圧に接続されている容量性ダイオードを有することを特徴とする、請求項２又は３記載のフィルタ。
5. 前記第一及び第二のマイクロストリップ部分は夫々、同じ長さを有することを特徴とする、請求項１乃至４のうちいずれか一項記載のフィルタ。
6. いずれの場合にも前記共振器の該マイクロストリップ部分の一つは、いずれの場合にも更なる共振器の該マイクロストリップ部分の一つに専ら電磁気的に結合されていることを特徴とする、請求項１乃至５のうちいずれか一項記載のフィルタ。
7. 該マイクロストリップ部分は、絶縁性基板の正面に取り付けられ、背面の導電層は接地に接続され、
   前記第一及び第二のマイクロストリップ部分は夫々、それらの第二の末端で、該基板の背面への貫通接続を有することを特徴とする、請求項１乃至６のうちいずれか一項記載のフィルタ。
8. 前記入力は第一の共振器に結合され、
   該入力は、該共振器の該マイクロストリップ部分に対して垂直に通る結合マイクロストリップに接続され、
   該結合マイクロストリップは、該第一の共振器の該第一のマイクロストリップ部分に交差することを特徴とする、請求項１乃至７のうちいずれか一項記載のフィルタ。
9. 前記入力は第一の共振器に結合され、
   該入力は、該第一の共振器の該マイクロストリップ部分に対して垂直に通る第一の結合マイクロストリップに接続され、
   該第一の結合マイクロストリップは、該第一の共振器の該第一のマイクロストリップ部分の隣を並列に通る第二の結合マイクロストリップに接続され、該第一の共振器の該第一のマイクロストリップ部分に電磁気的に結合されていることを特徴とする、請求項１乃至８のうちいずれか一項記載のフィルタ。

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