JP4191198B2

JP4191198B2 - フィルタ

Info

Publication number: JP4191198B2
Application number: JP2006032524A
Authority: JP
Inventors: 毅濱田
Original assignee: NEC Engineering Ltd
Current assignee: NEC Engineering Ltd
Priority date: 2006-02-09
Filing date: 2006-02-09
Publication date: 2008-12-03
Anticipated expiration: 2026-02-09
Also published as: JP2007214894A

Description

本発明は、高周波回路技術に関し、特に、プリント基板の誘電体基板パターン上に同軸共振器を配置して構成したフィルタに関する。

従来、誘電体基板上の高周波回路において、高い周波数選択性を有するフィルタを必要とする場合には、誘電体共振器を使用したり、立体回路フィルタを別部品として用いて高周波回路を構成していた。

例えば、特許文献１には、マイクロ波やミリ波等の高周波用の平面回路に、平面回路に適した空胴共振器を結合させることによって構成した、損失が小さく、高性能な平面回路が開示されている。この空胴共振器を有する平面回路は、誘電体基板の一面側に回路パターンが形成され、誘電体基板の他面側に接地導体が設けられ、回路パターンと電磁気的に結合するように、誘電体基板の一面側に金属棒及び導電性カバーからなる空胴共振器を備える。
特開２００３−１１０３１７号公報

上述のように、従来の高周波回路等においては、フィルタを別部品として使用するか、基板上でフィルタを構成していた。しかし、フィルタを別部品にて使用した場合には、フィルタの構成が決まってしまうため、部品点数が増加するとともに、フィルタとの接続回路が煩雑になり、特性が劣化するという問題があった。また、後者の方法では、高い周波数選択性を有するフィルタを得るために誘電体損失特性の良好な基板を選択して回路を構成する必要があり、安価なエポキシ樹脂基板等を使用することができず、高価な基板を選択する必要があった。

一方、特許文献１に記載の平面回路では、共振棒となる金属棒が別部品となり、同回路を製造する際に、組み立てに手間がかかるとともに、構成部品点数が増加するという問題があった。また、誘電体基板の誘電体部分と共振器とが接する部位が存在するため、共振器単体の損失に誘電体損失が含まれてしまうという問題があった。さらに、共振器との結合が基板と水平方向になるとともに、共振器のショート部に近接する場所で結合するため、強い電解結合を得ることができないという問題があった。さらにまた、共振器自体の共振周波数等のパラメータを可変とするためには、機構的な条件の変化を付与する以外の方法が存在しないため、電気的に可変とする構造を実現することが困難であるという問題もあった。

そこで、本発明は、上記従来の技術における問題点に鑑みてなされたものであって、部品点数が増加することなく、特性の劣化を回避し、組み立てが容易で、共振器単体の損失に誘電体損失が含まれることもなく、強い電解結合を得ることができ、電気的に共振周波数等のパラメータを可変とすることが可能なフィルタを提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明は、導電性ケースの一面に形成した凹部を誘電体基板と対向させた状態で、該導電性ケースの一面の前記凹部以外の部分を該誘電体基板上の接地電極と接合することにより、前記凹部によって形成される空間を電磁的に遮蔽するとともに、前記空間の内部に内導体部を配置して同軸共振器を構成したフィルタであって、前記内導体部は、前記導電性ケースと一体に形成され、一端が該導電性ケースに連結される一方で、他端と前記誘電体基板との間に空隙を有し、前記接地電極は、その一部が該内導体部の前記他端側の開放面の一部と位置的に重なるように形成され、前記他端との間に容量を構成することを特徴とする。

そして、本発明によれば、導電性ケースと内導体部とを一体化したため、部品点数を削減することができる。また、誘電体基板の誘電体部分と共振器とが接する部位が存在しないため、共振器単体の損失に誘電体損失が含まれることがなく、安定して誘電体基板上に高い周波数選択性のフィルタを簡単に構成することができる。さらに、内導体部の開放端と接地電極との間の総容量を大きくすればするほど共振周波数が低くなるため、内導体部の物理的長さを低減することができ、λ／４よりも大幅に小さくすることができる。

前記フィルタにおいて、前記内導体部の他端側の開放面と前記誘電体基板の接地電極との間の容量に、直列に容量可変素子を挿入することができる。基板上へ電子部品を追加するだけで、フィルタの共振周波数を容易に変更することが可能となる。

また、前記フィルタにおいて、前記誘電体基板上の信号パターンに形成されたギャップを導通又は非導通とすることにより、該フィルタの特性を切り替える特性切り替えスイッチを備えることができる。これによって、ＢＲＦ(帯域消去型フィルタ) とＢＰＦ(帯域通過型フィルタ)との特性を、容易に切り替えることが可能となる。

以上のように、本発明によれば、部品点数が少なく、特性の劣化を回避し、組み立てが容易で、周波数選択性が高く、強い電解結合を得ることができ、電気的に共振周波数等のパラメータを可変としたフィルタを提供することができる。

次に、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。

図１は、本発明にかかるフィルタの第１の実施の形態を示し、このフィルタは、同軸共振器１が一体化されたケース２と、この同軸共振器１と容量性結合される誘電体基板３とで構成される。

同軸共振器１は、片端がケース２と短絡され、他端が開放され、同軸共振器１の共振器長及び同軸の特性インピーダンスがこのフィルタの共振周波数を決める１つの要素となる。同軸共振器１の開放端は、誘電体基板３上に構成したマイクロストリップ信号パターン（以後、「信号パターン」と略称する）５と容量性結合される。

誘電体基板３は、裏面の全面を接地電極（ＧＮＤ）４とし、貫通ビア６を介して、表面接地電極（ＧＮＤ）７と接続される。ケース２と表面ＧＮＤ７とは、機構的に接触し、共振器回路が電磁気的に遮蔽された空間を構成する。

上記構成を有するフィルタの共振器部の断面モデルを図２に示す。同軸共振器１の開放端と、信号パターン５及び表面ＧＮＤ７間に、同図に示すような静電容量が存在する。すなわち、同軸共振器１の開放端と信号パターン５との平行平板間容量Ｃｓ：１５と、同軸共振器１の開放端と信号パターン５との浮遊容量（フリンジング容量）Ｃｓｆ：１６と、同軸共振器１の開放端と表面ＧＮＤ７との間の平行平板間容量Ｃｐ：１３と、同軸共振器１の開放端と表面ＧＮＤ７との間の浮遊容量（フリンジング容量）Ｃｐｆ：１４の４種類の静電容量が存在する。

図３は、本発明にかかるフィルタによってＢＲＦを構成した場合を示す上面図である。同軸共振器１の内導体部９の開放端は、信号パターン５に容量性結合させる部分のみ位置的に重なり合い、その他の大部分を表面ＧＮＤ７と位置的に重なり合うように配置する。

一方、同軸共振器の外導体部８は、信号パターン５と接触しないように、信号パターン５の上には空隙を構成し、表面ＧＮＤ７とは確実に接触させるような円筒形状とし、表面ＧＮＤ７とケース２との電気的接触を維持する。

図４は、上記ＢＲＦを構成したフィルタの等価回路を示す。片端開放片端短絡条件における開放端から見た同軸共振器１の誘導性リアクタンス成分Ｌｐ：１９と、同軸共振器１の開放端と表面ＧＮＤ７との間の総容量（Ｃｐ＋Ｃｐｆ）：１８が並列に構成され、この並列共振回路に対し、信号パターン５と同軸共振器１の開放端との総容量（Ｃｓ＋Ｃｓｆ）：１７が、直列に挿入される。

この回路における共振条件は、Ｃｐ＋Ｃｐｆ＝Ｃｐ’，Ｃｓ＋Ｃｓｆ＝Ｃｓ’とすると、ω²ＬｐＣｐ’＝ｌの周波数において開放、ω²Ｌｐ（Ｃｓ’＋Ｃ’ｐ）＝ｌの周波数において短絡となる。

本回路は、信号パターン５と表面ＧＮＤ７との間に挿入されるため、この短絡周波数条件をＢＲＦの所望の周波数に設定することで、ＢＲＦとして動作する。また、同軸共振器１は、誘電体基板３の表面ＧＮＤ７及びケース２にてシールドされているため、同軸共振器１自体に誘電体基板３の誘電体損失は起因しない。従って、高い周波数選択性の共振回路を得ることができる。さらに、共振条件より、同軸共振器１の開放端と表面ＧＮＤ７との間の総容量を大きくすればするほど共振周波数が低くなるため、同軸共振器１の物理的長さを低減することができる。

図５は、本発明にかかるフィルタによってＢＰＦを構成した場合を示す上面図である。同軸共振器１と誘電体基板３との位置関係は、上記ＢＲＦ構成時と同等であるが、同軸共振器１の内導体部９の中心を基準とし、所望の幅のギャップ１０を信号パターン５に設ける。

図６は、上記ＢＰＦを構成したフィルタの等価回路を示す。図３及び図４に示したＢＲＦの構成時と異なる点は、同軸共振器１の開放端と信号パターン５との間の総容量（Ｃｓ＋Ｃｓｆ）：１７が、信号経路に対して直列に挿入されることである。

本構成の場合、Ｃｐ’とＬｐとで構成される並列共振器に対し、Ｃｓ’によって容量性結合されるＢＰＦ回路となる。共振周波数は、ω²ＬｐＣｐ’＝ｌの条件となり、一般的なＢＰＦ回路構成となる。本構成時も、高い周波数選択性と共振器物理長の低減というメリットが存在する。

図７は、本発明にかかるフィルタに特性切り替えスイッチを設けた場合を示す上面図である。この構成では、ＢＰＦ構成とＢＲＦ構成を切り替えるため、ＢＰＦ構成時に設けた信号パターン５のギャップを、ＲＦスイッチ１２にて、ＯＮ、ＯＦＦさせることで、ＢＰＦ構成、ＢＲＦ構成を切り替えることができる。

図８は、上記特性切り替えスイッチを設けた場合の等価回路を示す。ＢＰＦとＢＲＦとの切り替えは、ギャップが信号パターン上に存在するかしないかであるため、ギャップ自体を高周波スイッチＩＣや、高周波リレー等の電気的に通過損失を可変とすることのできるＲＦスイッチ１２にて短絡させることにより、特性の切り替えが可能となる。

図９は、本発明にかかるフィルタの共振周波数を可変とした場合を示す上面図である。この構成は、ＢＰＦ、ＢＲＦ構成のどちらにも適用することができる。同軸共振器１の内導体部９の表面ＧＮＤ７と位置的に重なり合っている場所の大部分をＧＮＤから切り離し、本部位と表面ＧＮＤ７とを可変容量ダイオード１１にて接続する。そして、この可変容量ダイオード１１に適切なバイアス電圧を印加することで共振周波数を可変とすることができる。

図１０は、Ｃｐ’を可変とすることで、ＢＲＦ、ＢＰＦ両方の構成時において、共振周波数を可変とした構成の等価回路を示す。図８でも示されるとおり、Ｃｐ’の大部分を占める同軸共振器１の開放端と表面ＧＮＤ７との平行平板間容量が形成される部分を、表面ＧＮＤ７から切り離し、可変容量ダイオード１１で接続することによって、図１０に示されるように、Ｃｐに対し直列に可変容量成分１１が挿入される。これを適切なバイアス回路２０にて、可変容量ダイオード１１に印加される電圧を制御し、同軸共振器１の周波数を電気的に可変とすることができる。

本発明にかかるフィルタを、一般的なシールドケースを用いた高周波回路に用いることができるとともに、電気的にフィルタの特性を可変させることができる電気調整フィルタ、及び任意のタイミングでＢＰＦ特性とＢＲＦ特性とを切り替えるスイッチフィルタにも活用することができる。

本発明にかかるフィルタの第１の実施の形態を示す断面図である。図１のフィルタをモデル化した断面図である。本発明にかかるフィルタのＢＲＦ構成時の上面図である。図３のＢＲＦ特性構成時の共振部等価回路を示す図である。本発明にかかるフィルタのＢＰＦ構成時の上面図である。図５のＢＰＦ特性構成時の共振部等価回路を示す図である。本発明にかかるフィルタの特性可変スイッチ構成時の上面図である。図７の特性可変スイッチ構成時の等価回路を示す図である。本発明にかかるフィルタの周波数可変構成時の上面図である。図９の周波数可変構成時の等価回路を示す図である。

符号の説明

１同軸共振器
２ケース
３誘電体基板
４裏面ＧＮＤ
５信号パターン
６ＧＮＤ接続貫通ビア
７表面ＧＮＤ
８ケースに一体化された同軸共振器の外導体部
９ケースに一体化された同軸共振器の内導体部
１０ＢＰＦ構成時のマイクロストリップギャップ部
１１周波数可変構成時の可変容量ダイオード
１２特性スイッチ構成時のＲＦスイッチ
１３同軸共振器開放端と表面ＧＮＤ間の平行平板間容量（Ｃｐ）
１４同軸共振器開放端と表面ＧＮＤ間のフリンジング容量（Ｃｐｆ）
１５同軸共振器開放端と信号パターン間の平行平板間容量（Ｃｓ）
１６同軸共振器開放端と信号パターン間のフリンジング容量（Ｃｓｆ）
１７同軸共振器開放端と信号パターン間の総容量（Ｃｓ＋Ｃｓｆ）
１８同軸共振器開放端と表面ＧＮＤ間の総容量（Ｃｐ＋Ｃｐｆ）
１９同軸共振器の誘導性リアクタンス成分（Ｌｐ）
２０可変容量ダイオードバイアス端子

Claims

導電性ケースの一面に形成した凹部を誘電体基板と対向させた状態で、該導電性ケースの一面の前記凹部以外の部分を該誘電体基板上の接地電極と接合することにより、前記凹部によって形成される空間を電磁的に遮蔽するとともに、前記空間の内部に内導体部を配置して同軸共振器を構成したフィルタであって、
前記内導体部は、前記導電性ケースと一体に形成され、一端が該導電性ケースに連結される一方で、他端と前記誘電体基板との間に空隙を有し、
前記接地電極は、その一部が該内導体部の前記他端側の開放面の一部と位置的に重なるように形成され、前記他端との間に容量を構成することを特徴とするフィルタ。
前記内導体部の他端側の開放面と前記誘電体基板の接地電極との間の容量に、直列に容量可変素子を挿入したことを特徴とする請求項１に記載のフィルタ。
前記誘電体基板上の信号パターンに形成されたギャップを導通又は非導通とすることにより、該フィルタの特性を切り替える特性切り替えスイッチを備えることを特徴とする請求項１又は２に記載のフィルタ。