JP4191870B2

JP4191870B2 - 分布定数フィルタ

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Publication number: JP4191870B2
Application number: JP2000024759A
Authority: JP
Inventors: 重喜武田
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2000-01-28
Filing date: 2000-01-28
Publication date: 2008-12-03
Anticipated expiration: 2020-01-28
Also published as: JP2001217605A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は移動体通信機等のＲＦ段等に妨害信号や雑音の除去のために帯域通過フィルタとして使用される分布定数フィルタに関し、詳しくは通過帯域の振幅特性および群遅延特性が同時平坦特性でかつ阻止帯域に伝送零点を有し、構造を簡素化し損失を抑えて性能を改善した帯域通過フィルタを構成するのに好適な分布定数フィルタに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
アナログあるいはデジタル携帯電話や無線電話をはじめとする移動体通信機等の送信回路および受信回路のＲＦ段等の高周波回路部には、例えば同一のアンテナを送信回路と受信回路で共用する場合に送信周波数帯域と受信周波数帯域を分離するため、あるいは増幅回路の非直線性に基づいて発生する高調波を減衰させるため、希望の信号波以外の妨害波・側帯波等の不要信号波を排除するためなどに、帯域通過フィルタ（バンドパスフィルタ：ＢＰＦ）がよく使われる。
【０００３】
一般に、理想特性のフィルタは、希望信号を歪み無く選択し、帯域外の妨害信号を十分に抑圧する特性を有するものである。この特性は、図２（ａ）にフィルタの振幅特性を、同図（ｂ）にフィルタの群遅延特性をそれぞれ線図で示すように、通過帯域の振幅特性および群遅延特性が同時平坦特性で、かつ阻止帯域に伝送零点である減衰極を有する特性である。従来、こうしたフィルタを実現するには複雑な回路構成が必要であった。
【０００４】
また、このような特性の帯域通過フィルタを明確な設計理論で直接構成する手法は従来知られておらず、種々の工夫をして経験的にフィルタを構成することが行なわれていた。
【０００５】
一方、このような通信機用フィルタとしての帯域通過フィルタは、一般に種々の回路素子により構成された直列共振回路や並列共振回路を複数段接続することにより所望の帯域特性を有するフィルタ回路として実現されて構成されているが、フィルタ回路部が小型にできることや高周波回路としての電気特性が良好であることなどから、結合マイクロストリップ線路やパッチ共振器等の不平衡分布定数線路によりフィルタ回路部が構成されることが多い。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
例えば、結合マイクロストリップ線路を用いれば、減衰極を持たない特性の帯域通過フィルタを容易に実現できる。一般のλ／４（１／４波長）結合マイクロストリップ線路による複数の共振器を結合させる構造のフィルタは、結合構造が画一的で自由度が少なく、後述する正あるいは負の結合リアクタンス素子の符号を自由には選ぶことができない。例えば、並列素子と直列素子とからなる梯子型のフィルタを、実現しやすい並列型の素子のみに結合回路に相当する虚ジャイレータを用いて変換する例を図３に示す。図３（ａ）は３次フィルタの例を示す回路図であり、同図（ｂ）はそれと厳密に等価な、虚ジャイレータを用いた３次フィルタの例を示す回路図である。
【０００７】
この場合、図３（ａ）から（ｂ）への等価変換を正確に行なうと、２つの虚ジャイレータの符号は互いの正負を逆にしなければならない。すなわち、厳密には結合リアクタンス素子の符号は正と負の２種類必要となる。これに相当するλ／４結合マイクロストリップ線路の結合構造を得ることは困難である。
【０００８】
しかし、減衰極を持たない単純な特性のフィルタでは、フィルタ回路中に飛び越し結合が無いために伝送特性の正負の正確な管理の必要は無く、虚ジャイレータの符号は正のみあるいは負のみでよく、あるいは正負を入れ替えても差し支えない。その結果、λ／４結合マイクロストリップ線路による複数の共振器を同じ方式で順次結合させる構造でも所望のフィルタ回路を問題なく実現できる。
【０００９】
一方、フィルタ特性に減衰極を持ったり、群遅延特性と振幅特性を制御しなければならない複雑な特性のフィルタでは、フィルタ回路中に飛び越し結合の構造が必要となり、伝送特性の正負の位相の正確な制御が必要となる。このため、伝送特性の正負の位相の制御ができないλ／４結合マイクロストリップ線路をフィルタ回路を構成する回路要素として使用することが困難であり、λ／４結合マイクロストリップ線路を用いてフィルタ回路を構成した分布定数フィルタにおいて、所望の減衰極を作ったり、振幅や群遅延時間の補正回路を形成することが困難であった。
【００１０】
これに対し、本発明者は特願平11−236068号において、フィルタ理論に忠実であり、複数の共振器を負あるいは正のリアクタンス素子で順次結合あるいは飛び越し結合する形をしており、負の結合リアクタンス素子として容量を、正の結合リアクタンス素子としてインダクタを用いた分布定数フィルタを提案した。
【００１１】
しかし、この分布定数フィルタにおいても、分布定数回路で負の結合リアクタンス素子に相当する容量と正の結合リアクタンス素子に相当するインダクタとを形成するには、異なった形状のパターンあるいはスルーホール等を用いる異なった構造が必要であるため、これらを同程度の精度・複雑さで実現することが困難であるという改善すべき点を有していた。
【００１２】
また、従来より、伝送特性の正負の位相を配慮しなくても特性上支障のないフィルタ回路を構成するのに適しているλ／４結合マイクロストリップ線路回路を、伝送特性の正負の位相を正確に合わせることができる結合マイクロストリップ線路として分布定数フィルタに使用しようとする試みが行なわれている。
【００１３】
しかしながら、このλ／４結合マイクロストリップ線路回路を用いた分布定数フィルタでは、所望のフィルタ特性を得るためのフィルタ合成の正確な設計手法が知られていないため、設計が近似的であることから近似的な特性しか得られず、特性が不十分であるという問題点があった。
【００１４】
本発明は以上の問題点に鑑みて案出されたものであり、その目的は、伝送特性の正負の位相を正確に合わせることで設計値通りの飛び越し結合を実現することができて、それによって帯域特性に減衰極を作ったり振幅や群遅延時間の補正を行なうことができ、その結果、通過帯域特性において振幅特性と群遅延特性とが同時平坦特性であり、かつ阻止帯域に伝送零点を持つ帯域通過特性を有し、正確な設計手法により設計し簡単な回路で構成して実現することができるとともに、低素子感度で低損失な特性の分布定数フィルタを提供することにある。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
本発明の分布定数フィルタは、通過帯域の中心周波数に対応する１／４波長結合マイクロストリップ線路をｎ（ｎは３以上の整数）個、それぞれ一方の対角の各ポートを接続ポートとし、他方の対角の各ポートを開放として順次、縦続接続し、隣接する前記１／４波長結合マイクロストリップ線路間で前記接続ポート同士が接続されて成るマイクロストリップ線路共振器を形成するとともに、この共振器のうち少なくとも１個以上の共振器長を１波長とし、残りの共振器の共振器長を１／２波長としたことを特徴とするものである。
【００１７】
【発明の実施の形態】
本発明の分布定数フィルタによれば、縦続接続したｎ個の１／４波長マイクロストリップ線路により構成したマイクロストリップ線路共振器のうち、少なくとも１個以上の共振器長を１波長とし、残りの共振器の共振器長を１／２波長としたことから、伝送特性の正および負の位相の切り替えをほとんど同じ回路構成で実現することができる。
【００１８】
また、本発明の分布定数フィルタにおいて、少なくとも２個以上の１／４波長結合マイクロストリップ線路を飛び越したポート間に電界結合あるいは磁界結合による飛び越し結合回路を接続すると、この飛び越し結合回路で共振器間の伝送特性の位相を制御することにより、同じ形態の飛び越し結合回路のみで所望の減衰極を作ったり、振幅や群遅延時間を補正することができ、所望のフィルタ特性を有する分布定数フィルタを容易に実現することができる。これらの飛び越し結合は、２重あるいは３重のようにマルチ飛び越し結合の形、あるいは飛び越し結合を含む複数の多共振器形フィルタをカスケードに接続した形でも実現できる。
【００１９】
このような本発明の分布定数フィルタによれば、設計理論上では、伝達関数を示す回路網関数の分子有理多項式の実根または虚根に相当する回路部を上記構成の多共振子フィルタで実現するものとなることから、理論的に正確に、かつフィルタの構造を簡素化し損失を抑えて性能を改善して、所望のフィルタ特性を有するフィルタ回路を分布定数素子によって構成し実現することができる。なお、以後の説明では、次の数１に示すように、回路網関数をｓパラメータを用いて示すものとする。
【００２０】
【数１】

【００２１】
以下、本発明の分布定数フィルタの実施の形態の一例として、通過帯域で振幅特性と群遅延特性が同時平坦で、かつ阻止帯域で伝送零点（減衰極）を有するフィルタの設計例を示す。
【００２２】
このフィルタの例として、フィルタの伝達特性を表す回路網関数ｓ₂₁の分子有理多項式ｆ（ｓ）は４次、分母有理多項式ｇ（ｓ）は８次とする。
【００２３】
フィルタが無損失とすると、Ｓマトリクスはユニタリマトリクスとなり、残りの多項式ｈ（ｓ）が定まる。これより入力インピーダンスあるいは入力アドミタンスが定まり、これらをはしご形回路に展開することで基準化低域通過フィルタが定まる。その例を図４に回路図で示す。
【００２４】
ここで、分母有理多項式ｇ（ｓ）の次数がはしご形回路の段数に相当し、この例では８次８段である。分子有理多項式の根のペアの数が、伝送零点（減衰極）ができるよう並列あるいは直列に接続された共振回路の数であり、この例では２である。
【００２５】
この基準化低域通過フィルタを虚ジャイレータを用いて等価変換すると、図５に回路図で示すような、基準化低域通過フィルタを得る。なお、図５において虚ジャイレータの符号を示していないのは、この場合は虚ジャイレータの符号を指定することに意味が無いか、または正負の両方を取り得ることを示している。以下の図でも同様な表記を行なうものとする。
【００２６】
図５の２つの並列共振回路はｓ₂₁の分子有理多項式ｆ（ｓ）の根に相当する。さらに、図５の点線で囲まれた部分を図６（ａ）に示す回路から同図（ｂ）に示す飛び越し結合を含む回路へ等価変換を行なう。この図６の等価変換においては、実軸上の根のペアの場合と虚軸上の根のペアの場合とでは虚ジャイレータの符号が異なることとなる。この図６の等価変換を図５の回路に適用して等価変換した基準化低域通過フィルタの例を、図７に回路図で示す。
【００２７】
さらに、図７中のインダクタを虚ジャイレータを用いて容量に等価変換を行なう。この等価変換後の基準化低域通過フィルタの回路図を図８に示す。
【００２８】
図８においては、この場合の虚ジャイレータの符号の選び方には自由度がある。この例では順次結合回路の虚ジャイレータの符号を負に揃えてあり、飛び越し結合回路の虚ジャイレータの符号が互いに異なっている。
【００２９】
次に、このままでは飛び越し結合回路の虚ジャイレータの符号が異なり、実際の回路にした場合に実現しにくいため、さらに以下の変換を行なう。
【００３０】
まず、順次結合回路の虚ジャイレータを、等価変換を行なって、できるだけ同じ符号で揃える。この例ではできるだけ正に揃えてある。また、飛び越し結合の虚ジャイレータの符号を揃える。この例では正に揃えてある。
【００３１】
なお、虚ジャイレータの符号を考慮すると、図９（ａ）に示す虚ジャイレータは、同図（ｂ）に示す定リアクタンス素子のπ型等価回路で実現できる。
【００３２】
ここで周波数変換してこの基準化低域通過フィルタを帯域通過フィルタに変換すると、図10に回路図で示すような帯域通過フィルタとなる。この例では、入力ポートと出力ポートの形の対称性を良くする目的で、各入力ポートに虚ジャイレータを加えてある。この場合、入力インピーダンスは入力アドミタンスに変換されることとなるが、フィルタの伝送特性は変らない。この帯域通過フィルタでは、８個の共振器が虚ジャイレータにより順次結合されており、さらに２つの飛び越し結合回路で伝送零点が実現されている。なお、飛び越し結合回路の役割をする虚ジャイレータの符号は正に揃えてある。
【００３３】
図10の回路は、数値は異なるが、回路図における右半分と左半分とは同様な構成となっており、順次結合の真ん中の虚ジャイレータの符号のみが異なったものとなっている。従って、このような回路構成の帯域通過フィルタにおいては、順次結合の中間部に虚ジャイレータの符号を反転させるのに相当する回路を加えれば、右半分の回路と左半分の回路とは同様の回路で構成することができる。このため、飛び越し結合回路の部分を同じ構造の回路とすることができ、実際の回路を実現することが容易となる。
【００３４】
このように、本発明の分布定数フィルタによれば、順次結合で構成される分布定数フィルタの中央部に伝送特性の位相反転機能を有する回路を加えて、帯域通過フィルタの伝送特性の位相を制御することができる。また、正のリアクタンス素子による飛び越し結合回路を接続することにより、減衰極・振幅・群遅延時間を制御することができるものとなる。
【００３５】
次に、図10の回路図における右半分の順次結合の回路と左半分の順次結合の回路とを、中央部で位相反転する回路のみ異なる構成の回路で構成することを考える。
【００３６】
ここで、図11に平面図で示すように、マイクロストリップ線路共振器を構成する１組のλ／４結合マイクロストリップ線路について、接続ポートとなる一方の対角のポートをポート１およびポート３、他方の対角のポートをポート２およびポート４とする。この１組のλ／４結合マイクロストリップ線路においては、ポート２およびポート４は開放となっており、ポート１とポート２とを１つの２ポートと見る。また、Ｚ_c,jとｋ_iは、それぞれ特性インピーダンスと結合係数である。すると、ポート１とポート３間のＦマトリクスは、数２に示すものとなる。
【００３７】
【数２】

【００３８】
一方、このＦマトリクスに対する等価回路の例として、図12に回路図で示すような、λ／４結合マイクロストリップ線路の狭帯域近似等価回路がある。この図12に示す回路のＦマトリクスは、数３に示すものとなる。
【００３９】
【数３】

【００４０】
次に、基準化低域通過フィルタにおいてｙ_i＝ｊω・ｐ_iとし、さらに、中心周波数ω₀、帯域幅Δの帯域通過フィルタへ周波数変換を行なう。すなわち、図８の並列容量を図10の並列共振回路へ変換することとなる。この条件を直接に数２と数３に適用して、両者のマトリクス成分を狭帯域近似すると、次の数４および数５として示される結合係数および特性インピーダンスが定まる。
【００４１】
【数４】

【００４２】
【数５】

【００４３】
ここで着目しなければならないのは、ｋ_iおよびＺ_c,jが実現可能な正の値になるためには、図12中の虚ジャイレータの符号が正でなければならないことである。そして、図12に示される虚ジャイレータの符号が正である限り、それと等価な図11に示されるλ／４結合マイクロストリップ線路を順次、縦続接続（カスケードに接続）することにより分布定数フィルタによる帯域通過フィルタを構成することができる。そして、図10の回路の中で、右半分の部分の順次結合による回路部分は、図13に平面図で示すようなλ／４結合マイクロストリップ線路によるマイクロストリップ線路共振器によって実現できる。
【００４４】
この例では、説明を容易にするために２次の帯域通過フィルタの両端にインピーダンス変換用の虚ジャイレータを接続した３段接続の構成としており、虚ジャイレータの符号はいずれも正である。各段の特性インピーダンスＺ_c,j、結合係数ｋ_iは次の数６〜数９に示す条件で定められる。
【００４５】
【数６】

【００４６】
【数７】

【００４７】
【数８】

【００４８】
【数９】

【００４９】
そして、さらに両端に回路を付け足すことにより、飛び越し結合が可能な回路構成となる。
【００５０】
しかし、図10の回路の中で、左半分の部分の順次結合による回路部分は中央の虚ジャイレータの符号のみ異なり負となっているため、λ／４結合マイクロストリップ線路を順次カスケードに接続する方式では実際の回路が実現できないこととなる。本発明はこの問題点を解決すべく提案されたものである。
【００５１】
まず、図12に示されるλ／４結合マイクロストリップ線路の等価回路において虚ジャイレータの符号が負であるとする。ここで、図13との整合性を考慮して、2次の帯域通過フィルタの両端にインピーダンス変換用の虚ジャイレータを接続した３段接続の構成とする。図13との相違点は、虚ジャイレータのうち1つの符号が負である点である。これによる本発明の分布定数フィルタの回路の実現例を図１に示す。図１は、負の虚ジャイレータを１個含む回路としての実現例であり、３個のλ／４結合マイクロストリップ線路Ｍ１〜Ｍ３が順次、縦続接続されて成るマイクロストリップ線路共振器Ｏ１・Ｏ２のうち、共振器Ｏ２の中央部にλ／２の長さの線路部分を挿入することにより１波長（λ）とし、残りの共振器Ｏ１の共振器長を１／２波長（λ／２）としている。この分布定数フィルタの各回路定数は、図13の例と同様に、次の数10〜数13で与えられる。
【００５２】
【数１０】

【００５３】
【数１１】

【００５４】
【数１２】

【００５５】
【数１３】

【００５６】
ただし、Ｚ_Lはλ／２長さのマイクロストリップ線路の特性インピーダンスである。数10から数13による各パラメータによる図１の回路は、数６から数９による各パラメータによる図13の回路に対して、伝送特性の位相が逆転している以外は、反射係数・振幅および群遅延時間の伝送特性は全く等しいものとなる。
【００５７】
このようにして複数のマイクロストリップ線路共振器を順次結合あるいは飛び越し結合させて、分布定数フィルタによる多共振器型帯域通過フィルタを構成することにより、本発明の分布定数フィルタを実現することができる。
【００５８】
なお、本発明は以上の実施の形態の例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・改良を加えることは何ら差し支えない。例えば、ヘアピン型のマイクロストリップ線路を結合させて構成してもよい。
【００５９】
【発明の効果】
以上のように、本発明の分布定数フィルタによれば、通過帯域の中心周波数に対応する１／４波長結合マイクロストリップ線路をｎ（ｎは３以上の整数）個、それぞれ一方の対角の各ポートを接続ポートとし、他方の対角の各ポートを開放として順次、縦続接続し、隣接する１／４波長結合マイクロストリップ線路間で接続ポート同士が接続されて成るマイクロストリップ線路共振器を形成するとともに、この共振器のうち少なくとも１個以上の共振器長を１波長とし、残りの共振器の共振器長を１／２波長としたことから、帯域通過フィルタの他の回路特性を全く変化させること無く、伝送特性の位相を容易に反転させることができる。これにより、比較的単純な回路パターンで伝送特性の位相反転を行なうことができる。
【００６０】
さらに、この性質を利用して、少なくとも２個以上の１／４波長結合マイクロストリップ線路を飛び越したポート間に飛び越し結合回路を接続して、共振器間の結合・接続に飛び越し結合を加えることにより、伝達関数の虚軸上の零点に相当する伝送零点を実現したり、伝達関数の実軸上の零点に相当する振幅の補正を行なう際に必要となる正確な伝達特性の位相の制御を簡単な回路の変更のみで行なえるために、虚軸上の零点と実軸上の零点を実現する飛び越し結合回路を、伝送特性の位相反転を行なってもほぼ同じ構成で実現できる。
【００６１】
その結果、本発明の分布定数フィルタによれば、簡単な構造の回路構成でもって通過帯域で振幅特性および群遅延特性が同時平坦特性で、かつ阻止帯域に伝送零点（減衰極）を有する帯域通過フィルタとしての分布定数フィルタを実現することができる。
【００６２】
また、回路構成が共用でき、単純であることから、低素子感度で低損失な特性の分布定数フィルタを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の分布定数フィルタの実施の形態における、負の虚ジャイレータを１個含む回路の実現例を示す平面図である。
【図２】（ａ）および（ｂ）は，それぞれ帯域通過フィルタの通過帯域における振幅特性および群遅延特性を示す線図である。
【図３】（ａ）は３次フィルタの例を示す回路図、（ｂ）は虚ジャイレータを用いた（ａ）と等価な３次フィルタを示す回路図である。
【図４】８次の基準化低域通過フィルタの例を示す回路図である。
【図５】図４に示す基準化低域通過フィルタの等価変換の例を示す回路図である。
【図６】（ａ）の回路を（ｂ）の飛び越し結合を含む形へ等価変換する例を示す回路図である。
【図７】図５に示す回路を図６に示す飛び越し結合を含む回路へ等価変換した基準化低域通過フィルタの例を示す回路図である。
【図８】図７に示す回路のインダクタを容量に等価変換した基準化低域通過フィルタの例を示す回路図である。
【図９】（ａ）の虚ジャイレータを（ｂ）の定リアクタンス素子のπ型等価回路へ等価変換する例を示す回路図である。
【図１０】基準化低域通過フィルタを帯域通過フィルタへ等価変換した例を示す回路図である。
【図１１】マイクロストリップ線路共振器を構成する１組のλ／４結合マイクロストリップ線路を示す平面図である。
【図１２】λ／４結合マイクロストリップ線路の狭帯域等価回路を示す回路図である。
【図１３】λ／４結合マイクロストリップ線路によるマイクロストリップ線路共振器によって構成された帯域通過フィルタとしての分布定数フィルタの例を示す平面図である。
【符号の説明】
１、３・・・・・一方の対角のポート（接続ポート）
２、４・・・・・他方の対角のポート
Ｍ１〜Ｍ３・・・λ／４結合マイクロストリップ線路
Ｏ１、Ｏ２・・・マイクロストリップ線路共振器

Claims

通過帯域の中心周波数に対応する１／４波長結合マイクロストリップ線路をｎ（ｎは３以上の整数）個、それぞれ一方の対角の各ポートを接続ポートとし、他方の対角の各ポートを開放として順次、縦続接続し、隣接する前記１／４波長結合マイクロストリップ線路間で前記接続ポート同士が接続されて成るマイクロストリップ線路共振器を形成するとともに、該共振器のうち少なくとも１個以上の共振器長を１波長とし、残りの共振器の共振器長を１／２波長としたことを特徴とする分布定数フィルタ。