JP4267511B2 - 帯域阻止フィルタ - Google Patents

Description

この発明は、阻止周波数を変化させることができる帯域阻止フィルタに関するものである。

従来、帯域阻止フィルタとして、伝送線路に対して共振回路を接続しその共振周波数にて電気的短絡点を形成する通過形の回路構成を用いるものがある（非特許文献１参照）。このような帯域阻止フィルタにおいては、共振周波数にて電気的短絡点を形成するための直列共振回路にバラクタダイオードなどの可変容量素子を用いることで周波数可変型の帯域阻止フィルタを形成することができるが、一般に可変容量素子は寄生抵抗成分Ｒを有することになる。

G. Matthaei 他著、"MICROWAVE FILTERS, IMPEDANCE-MATCHING NETWORKS, AND COUPLING STRUCTURES"、ARTECH HOUSE社、1980年

従来の帯域阻止フィルタにおいては、上述したように共振回路に可変容量素子を導入することで周波数可変とした場合に、可変容量素子が有する抵抗成分によりその無負荷Ｑが低下し共振時の損失が顕著となる。従って、共振回路が共振時に呈するインピーダンスは０ではなくある抵抗値を有することになり、上述した電気的短絡点を形成することが困難となる。その結果、共振時の減衰量が劣化してしまう問題があった。また、減衰周波数を変化させた場合に共振回路間の線路の通過位相が適切でなくなり、通過域の反射特性が劣化してしまう問題もあった。

この発明は上記の問題点を解決するためになされたもので、通過域の反射特性の劣化を招くことなく共振回路の無負荷Ｑが小さい場合にも十分大きな減衰量を確保することができる帯域通過フィルタを得ることを目的とするものである。

この発明に係る帯域阻止フィルタは、サーキュレータの２つの端子を入出力端子とし、残りの１つの端子に、抵抗成分を含む可変リアクタンス素子を有する可変共振回路をインピーダンス変成器を介して接続すると共に、上記可変共振回路が接続されるサーキュレータの端子と接地間に抵抗素子を接続したことを特徴とするものである。

この発明によれば、共振回路が抵抗成分を有していても、共振回路をインピーダンス変成器を介してサーキュレータに接続することにより、通過域の反射特性の劣化を招くことなく共振回路の無負荷Ｑが小さい場合にも十分大きな減衰量を確保することができる。

実施の形態１．
以下、図面を参照しながらこの発明について詳細に説明する。
図１は、この発明の実施の形態１による周波数可変帯域阻止フィルタの回路図である。図１に示すように、抵抗成分を含む可変容量素子であるバラクタダイオード１が、ボンディングワイヤ２を介してフィルタの可変周波数範囲の中心周波数で長さ約１／４波長となるマイクロストリップ線路３の一端に接続される。マイクロストリップ線路３の他端は、フィルタの周波数可変範囲全域で動作するサーキュレータ４の端子の１つに接続され、同接続点には、接地用バイアホール９を有する抵抗素子５が接続される。なお、図では省略しているが、バラクタダイオード１のバイアス電圧を印加するための回路が適宜フィルタ内に接続される。

次に、この発明の実施の形態１による周波数可変帯域阻止フィルタの動作について説明する。バラクタダイオード１及びボンディングワイヤ２は、可変キャパシタ及びインダクタとしてそれぞれ機能し、可変リアクタンスを有する可変共振回路を構成する。一方、バラクタダイオードは、一般に数Ω程度の抵抗成分を有しており、長さ約１／４波長のマイクロストリップ線路３をインピーダンス変成器として動作させることにより、その抵抗成分をサーキュレータ４の入力インピーダンスＺ_０近くの値にまで変成する。

しかし、バラクタダイオード１の抵抗成分が小さい場合はインピーダンス変成比が大きくなり、その抵抗値をサーキュレータ４の入力インピーダンスＺ_０に変成することは容易でなくなる。そこで、可変共振回路が接続されるサーキュレータの端子と接地間に抵抗素子５を加えることにより、サーキュレータ４から可変共振回路側を見た共振時のインピーダンスを容易にサーキュレータ４の入力インピーダンスＺ_０にすることができる。これにより、サーキュレータ４の端子Ｂ側から入力した信号は全て可変共振回路に吸収され、端子Ａには出力されないことになる。一方、前記可変共振回路が共振しない周波数においては、同共振回路への入射波はほぼ反射され端子Ａに出力される。

以上より、図１に示した回路は、図２に示すような等価回路となる。すなわち、バラクタダイオード１は可変キャパシタＣｖ及び抵抗Ｒｖ、ボンディングワイヤ２はインダクタＬｗ、マイクロストリップ線路３はインピーダンス変成器、接地用バイアホール９は抵抗Ｒ_０となり、この等価回路は、バラクタダイオード１の容量を可変とすることにより、図３に示すように、バラクタ容量を可変とすることで阻止周波数を変化させることができる可変帯域阻止特性を呈することになる。また、サーキュレータ４を用いているため、減衰周波数を変化させた場合にも通過域の反射量を常に抑圧することができる。

なお、上記実施の形態１では、インピーダンス変成器として、マイクロストリップ線路３を方形で構成している例を示しているが、ステップ形状またはテーパ形状とすることができ、ステップ形状またはテーパ形状とすることにより、インピーダンス変成器の動作帯域幅を広げることができ、通過域の反射特性の劣化を招くことなく、理論上無限大の大きな減衰量を得ることができる。

このように、マイクロストリップ線路３でなるインピーダンス変成器を介してバラクタダイオード１とボンディングワイヤ２とでなる可変共振回路をサーキュレータ４に接続することにより、共振回路が抵抗成分を有していてもインピーダンス変成器を用いてその入力インピーダンスをＺ_０とすることで、理論上無限大の大きな減衰量を得ることができる。

実施の形態２．
図４は、この発明の実施の形態２による周波数可変帯域阻止フィルタの回路図である。図４に示す実施の形態２による周波数可変帯域阻止フィルタにおいては、抵抗成分を含む可変容量素子であるバラクタダイオード１が、ボンディングワイヤ２を介して高インピーダンス線路１１および先端開放スタブ１２からなる低域通過形のインピーダンス変成器に接続される。そして、前記高インピーダンス線路１１の一端はサーキュレータ４の端子の１つに接続され、同接続点には接地用バイアホール９を有する抵抗素子５が接続される。なお、図では省略したが、バラクタダイオード１のバイアス電圧を印加するための回路が適宜フィルタ内に接続される。

次に、この発明の実施の形態２による周波数可変帯域阻止フィルタの動作について説明する。本実施の形態２は、実施の形態１におけるインピーダンス変成器として、高インピーダンス線路１１および低インピーダンスの先端開放スタブ１２からなる低域通過形のインピーダンス変成器を用いたもので、実施の形態１と同様の動作を呈する。また、低域通過形のインピーダンス変成器は、一般に、実施の形態１で用いたインピーダンス変成器に比べて回路寸法が小さくなることから、インピーダンス変成器として低域通過形のインピーダンス変成器を用いることにより、小型なフィルタを得ることができる。

このように、インピーダンス変成器を介して可変共振回路をサーキュレータ４に接続することにより、共振回路が抵抗成分を有していてもインピーダンス変成回路を用いてその入力インピーダンスをＺ_０とすることで理論上無限大の大きな減衰量を得ることができると共に、インピーダンス変成器として低域通過形のインピーダンス変成器を用いることで回路の小型化を図ることができる。

実施の形態３．
図５は、この発明の実施の形態３による周波数可変帯域阻止フィルタの回路図である。図５に示す実施の形態３による周波数可変帯域阻止フィルタにおいては、抵抗成分を含む可変容量素子であるバラクタダイオード１が微小長のマイクロストリップ線路１３を介して固定容量素子としてのＭＩＭ（Metal-Insulator-Metal）キャパシタ１４および先端短絡スタブ１５からなる高域通過形のインピーダンス変成器に接続される。そして、前記ＭＩＭキャパシタ１４の一端はサーキュレータ４の端子の１つに接続され、同接続点には接地用バイアホール９を有する抵抗素子５が接続される。なお、図では省略したが、バラクタダイオード１のバイアス電圧を印加するための回路が適宜フィルタ内に接続される。

次に、この発明の実施の形態３による周波数可変帯域阻止フィルタの動作について説明する。本実施の形態３は、実施の形態１におけるインピーダンス変成器としてＭＩＭキャパシタ１４および先端短絡スタブ１５からなる高域通過形のインピーダンス変成器を用いたもので、実施の形態１と同様の動作を呈する。また、上記ＭＩＭキャパシタ１４は、バラクタダイオード１と同一の半導体プロセスを用いてモノリシックに加工することも可能であり、その場合、バラクタダイオード１に接続されるボンディングワイヤ２が不要となることから可変周波数範囲の広帯域化が可能となる。

このように、インピーダンス変成器を介して可変共振回路をサーキュレータ４に接続することにより、共振回路が抵抗成分を有していてもインピーダンス変成回路を用いてその入力インピーダンスをＺ_０とすることで理論上無限大の大きな減衰量を得ることができ、さらに、バラクタダイオード１と高域通過形インピーダンス変成器を同一半導体基板上にモノリシックに構成することにより、周波数可変範囲を増大させることができる。

実施の形態４．
図６は、この発明の実施の形態４による周波数可変帯域阻止フィルタの回路図である。図６に示す実施の形態４による周波数可変帯域阻止フィルタにおいては、抵抗成分を含む可変容量素子であるバラクタダイオード１がボンディングワイヤ２を介してフィルタの可変周波数範囲の中心周波数で長さ約１／４波長となるマイクロストリップ線路３に接続される。そして、同線路３の一端はサーキュレータ４の端子の１つに接続され、同接続点には接地用バイアホール９を有する抵抗素子５が接続され、さらに、ボンディングワイヤ２を介してＰＩＮダイオード１６からなるスイッチング素子が接続される。なお、図では省略したが、バラクタダイオード１およびＰＩＮダイオード１６の制御電圧を印加するための回路が適宜フィルタ内に接続される。

次に、この発明の実施の形態４による周波数可変帯域阻止フィルタの動作について説明する。本実施の形態４は、実施の形態１における可変共振回路をオン／オフさせるためにＰＩＮダイオード１６を付加したものである。前述した実施の形態１から３においては、常に或る周波数帯が減衰域となるため、帯域阻止フィルタをオフして着目する周波数帯域全てを通過域としたい場合には減衰周波数を着目する周波数帯域外に制御しなければならない。それに対して、本実施の形態４では、ＰＩＮダイオード１６をオンして電気的短絡点を形成することで全ての周波数を容易に通過域とすることができる。なお、ＰＩＮダイオードをオフとすると、実施の形態１と同様の帯域阻止特性を呈する。

このように、インピーダンス変成器を介して可変共振回路をサーキュレータ４に接続することにより、共振回路が抵抗成分を有していてもインピーダンス変成回路を用いてその入力インピーダンスをＺ_０とすることで理論上無限大の大きな減衰量を得ることができ、さらに、ＰＩＮダイオード１６を用いて可変共振回路をオン／オフさせることで帯域阻止フィルタのオン／オフを容易に行うことができる。

実施の形態５．
図７は、この発明の実施の形態５による周波数可変帯域阻止フィルタの回路図である。図７に示す実施の形態５による周波数可変帯域阻止フィルタにおいては、抵抗成分を含む可変容量素子であるバラクタダイオード１、ボンディングワイヤ２、および可変周波数範囲の中心周波数で長さ約１／４波長となるマイクロストリップ線路３からなる同一の可変共振回路を２個構成し、各々の線路３の一端は３ｄＢハイブリッドカプラの一種であるランゲカプラ１７の２つの分配端子に接続される。それらの各々の接続点には接地用バイアホール９を有する抵抗素子５が接続される。なお、図では省略したが、バラクタダイオード１のバイアス電圧を印加するための回路が適宜フィルタ内に接続される。

次に、この発明の実施の形態５による周波数可変帯域阻止フィルタの動作について説明する。本実施の形態５は、実施の形態１におけるサーキュレータ４に代えて３ｄＢハイブリッドカプラ１７を用い、その２つの分配端子に同一の可変共振回路を接続し、当該ハイブリッドカプラ１７の残りの入力端子、アイソレーション端子を各々フィルタの入出力端子としたものである。図中の端子Ａから入力された信号は２分配されて各共振回路に入力され、その反射波は端子Ｂにて同相合成されて出力される。一方、端子Ａでは同反射波は逆相となり打ち消しあう。従って、本実施の形態５に係る構成は、実施の形態１と同様の帯域阻止特性を呈すると共に、通過域の反射量を抑圧することができる。一般に、サーキュレータ４より３ｄＢハイブリッドカプラ１７の方が小型、安価に製造できるため、本実施の形態５により小型、安価な周波数可変帯域阻止フィルタを得ることができる。

このように、インピーダンス変成器を含む同一の可変共振回路を３ｄＢハイブリッドカプラ１７の２つの分配端子に接続することにより、共振回路が抵抗成分を有していてもインピーダンス変成回路を用いてその入力インピーダンスをＺ_０とすることで理論上無限大の大きな減衰量を得ることができ、小型、安価な周波数可変帯域阻止フィルタを得ることができる。

実施の形態６．
図８は、この発明の実施の形態６による周波数可変帯域阻止フィルタの回路図である。図８に示す実施の形態６による周波数可変帯域阻止フィルタにおいては、抵抗成分を含む可変容量素子であるバラクタダイオード１ａ、１ｂ、ボンディングワイヤ２ａ、２ｂは互いに動作周波数範囲の異なる可変共振回路を構成する。それらは各々の可変周波数範囲の中心周波数で長さ約１／４波長となるマイクロストリップ線路３ａ、３ｂに接続される。そして、同線路３ａ、３ｂの一端はフィルタの周波数可変範囲全域で動作するサーキュレータ４の端子の１つに接続され、同接続点には接地用バイアホール９を有する抵抗素子５ａ、５ｂが接続される。以上により構成される２つの周波数可変帯域阻止フィルタは図中に示すように縦続接続される。なお、図示例の他に、同様にして互いに動作周波数範囲の異なる周波数可変帯域阻止フィルタを複数従属接続することができる。

次に、この発明の実施の形態６による周波数可変帯域阻止フィルタの動作について説明する。本実施の形態６は、実施の形態１から５に示した周波数可変帯域阻止フィルタを２つ用いて、所望の周波数可変範囲を二分しその各々を各フィルタに割り当てた上、それらを縦続接続したものである。それにより、各フィルタ内のインピーダンス変成器に要求される動作周波数範囲が小さくなるため同周波数範囲内におけるインピーダンス変成比の誤差が小さくなり、動作周波数変化時の減衰量劣化を防ぐことができる。

このように、所望の周波数可変範囲を異ならせてその各々に対応する周波数可変帯域阻止フィルタを設けることにより同フィルタ内のインピーダンス変成器の特性が向上し、動作周波数変化時の減衰量劣化を防ぐことができる。

この発明の実施の形態１による周波数可変帯域阻止フィルタを示す回路図である。 この発明の実施の形態１による周波数可変帯域阻止フィルタを示す等価回路である。 この発明の実施の形態１による周波数可変帯域阻止フィルタを示す通過特性を示す図である。 この発明の実施の形態２による周波数可変帯域阻止フィルタを示す回路図である。 この発明の実施の形態３による周波数可変帯域阻止フィルタを示す回路図である。 この発明の実施の形態４による周波数可変帯域阻止フィルタを示す回路図である。 この発明の実施の形態５による周波数可変帯域阻止フィルタを示す回路図である。 この発明の実施の形態６による周波数可変帯域阻止フィルタを示す回路図である。

符号の説明

１、１ａ、１ｂ バラクタダイオード（可変リアクタンス素子）、２、２ａ、２ｂ ボンディングワイヤ、３、３ａ、３ｂ マイクロストリップ線路（インピーダンス変成器）、４ サーキュレータ、５、５ａ、５ｂ 抵抗素子、９ 接地用バイアホール、１１ 高インピーダンス線路（低域通過形インピーダンス変成器の要素）、１２ 先端開放スタブ（低域通過形インピーダンス変成器の要素）、１３ マイクロストリップ線路、１４ ＭＩＭキャパシタ（固定容量素子：高域通過形インピーダンス変成器の要素）、１５ 先端短絡スタブ（高域通過形インピーダンス変成器の要素）、１６ ＰＩＮダイオード（スイッチング素子）、１７ ３ｄＢハイブリッドカプラ。

Claims (7)

1. サーキュレータの２つの端子を入出力端子とし、残りの１つの端子に、抵抗成分を含む可変リアクタンス素子を有する可変共振回路をインピーダンス変成器を介して接続すると共に、上記可変共振回路が接続されるサーキュレータの端子と接地間に抵抗素子を接続した
   ことを特徴とする帯域阻止フィルタ。
2. 請求項１に記載の帯域阻止フィルタにおいて、
   前記インピーダンス変成器として、ステップ形状あるいはテーパ形状を有するインピーダンス変成器を用いた
   ことを特徴とする帯域阻止フィルタ。
3. 請求項１に記載の帯域阻止フィルタにおいて、
   前記インピーダンス変成器として、先端開放スタブと伝送線路とからなる低域通過形インピーダンス変成器を用いた
   ことを特徴とする帯域阻止フィルタ。
4. 請求項１に記載の帯域阻止フィルタにおいて、
   前記インピーダンス変成器として、先端短絡スタブと固定容量素子からなる高域通過形インピーダンス変成器を用いた
   ことを特徴とする帯域阻止フィルタ。
5. 請求項１から４までのいずれか１項に記載の帯域阻止フィルタにおいて、
   前記インピーダンス変成器と前記サーキュレータとの接続点に、前記可変共振回路をオン／オフさせるスイッチング素子を接続した
   ことを特徴とする帯域阻止フィルタ。
6. 請求項１から５までのいずれか１項に記載の帯域阻止フィルタにおいて、
   前記サーキュレータに代えて３ｄＢハイブリッドカプラを用いるとともに、
   前記３ｄＢハイブリッドカプラの２つの分配端子に同一の可変共振回路をインピーダンス変成器を介してそれぞれ接続し、当該ハイブリッドカプラの残りの入力端子、アイソレーション端子を各々フィルタの入出力端子としたことを特徴とする帯域阻止フィルタ。
7. 請求項１から６までのいずれか１項に記載の帯域阻止フィルタを一つの単位回路として、当該回路を複数個縦続接続し、各回路の動作周波数範囲を互いに異ならせた
   ことを特徴とする帯域阻止フィルタ。

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