JP4309902B2 - 共振回路、フィルタ回路及びアンテナ装置 - Google Patents

共振回路、フィルタ回路及びアンテナ装置 Download PDF

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Description

本発明は、共振回路、フィルタ回路及びアンテナ装置に関する。
無線または有線で情報通信を行う通信機器は、アンテナ、アンプ、ミキサ、フィルタなどの各種の高周波部品から構成されている。この中で、帯域通過フィルタ(バンドパスフィルタ:BPF)は、共振素子を複数個並べて特定の周波数帯の信号のみを通過させる機能を有する。今日の通信システムにおいては、周波数の有効利用の観点からフィルタ特性は、使用可能な帯域幅が最大限使用できるよう、シャープな遮断特性が望ましい。さらに、通信機器の小形化に対する需要から、フィルタはより小さいサイズが望ましい。
フィルタ特性を実現するためには、複数の共振素子を電磁界にて結合させる必要があり、フィルタの回路定数は各共振素子の共振周波数fi、共振素子間結合Mij、および外部との結合Qeで構成される。
フィルタ回路における共振素子間結合の実現方法は、以下の２種類に大別できる。第１に、共振素子以外に結合用素子を付加することなく、共振素子どうしの位置関係のみで所望の結合を実現するギャップ結合がある。ギャップ結合は、チェビシェフ関数型フィルタのように隣接する共振素子間の結合のみで構成されるフィルタ回路に適している。第２に、特許文献１および特許文献2にあるような伝送線路を付加して結合を実現する線路結合がある。線路結合は、減衰極によるスカート特性の急峻化や、群遅延時間平坦化のための飛び越し結合をもつフィルタ回路に適している。
全ての共振素子が同一平面上に配置される平面フィルタでは、フィルタの小形化を進めるうえで、隣接する共振素子間の間隔を十分とることが難しく、所望の結合以外に、不要な飛び越し結合が存在する。この飛び越し結合の影響により、フィルタ性能またはフィルタの遮断特性の対称性の劣化をまねき、特性実現を困難とする原因のひとつであった。
飛び越し結合の対処方法としては、共振素子の形状や配置を工夫し、飛び越し結合の大きさを小さくする方法や、特許文献3および特許文献4にあるような無用な飛び越し結合がある共振素子間に金属板等を挿入することで電磁界的に遮断する方法などがある。
特開2004-530391号公報 特開2000-341071号公報 特開2001-308603号公報 特開2004-349966号公報
以上述べたように、従来技術では飛び越し結合は未制御であり、フィルタやアンテナの小形化など構造的な制約がある場合においては、飛び越し結合によりフィルタ特性およびアンテナのVSWR（定在波比）や利得が劣化するなどの問題点があった。
本発明は、上記のような従来技術の欠点を除去し、フィルタやアンテナを構成する共振素子間の未制御な飛び越し結合を制御し、上記の性能の改善を図った共振回路、フィルタ回路及びアンテナ装置を提供することを目的とするものである。
本発明の一態様による共振回路は、
誘電体基板上に所定の導体パターンを形成することにより、それぞれ少なくとも４段以上の複数段の共振素子からなる第１および第２のブロックと、外部に接続可能な入力部及び出力部とが配置された共振回路において、
前記第１および第２のブロックのそれぞれにおける前記複数段の共振素子のうち、所望の４段の前記共振素子を形成する第１乃至第４の共振素子は、前記第１及び第２の共振素子間と、前記第２及び第３の共振素子間と、前記第３及び第４の共振素子間と、前記第４及び第１の共振素子間とを、電磁界によって結合するように配置され、
前記第１および第２のブロックのそれぞれは、
前記誘電体基板上のうち、前記共振素子が形成された素子形成領域を除く領域であって、前記第１の共振素子が形成された第１の領域の重心と、前記第３の共振素子が形成された第３の領域の重心とを結ぶ第１の線分のうち、前記第１及び第３の共振素子が形成された前記第１及び第３の領域を除く前記第１の線分と交差するようにして、前記第２及び第４の共振素子間に配置される第１の結合素子と、
前記誘電体基板上のうち、前記共振素子が形成された前記素子形成領域を除く領域であって、前記第２の共振素子が形成された第２の領域の重心と、前記第４の共振素子が形成された第４の領域の重心とを結ぶ第２の線分のうち、前記第２及び第４の共振素子が形成された前記第２及び第４の領域を除く前記第２の線分と交差するようにして、前記第１及び第３の共振素子間に配置される第２の結合素子とのうち、少なくともいずれか一方を備え、
前記第１および第２のブロックのそれぞれにおいて、前記第１及び第２の結合素子の電気長は、前記共振回路が有する中心周波数及び帯域幅を基に決定される周波数範囲に応じた範囲を有する波長における、半波長の整数倍の電気長を除く範囲の中から選定され、
前記第１および第２のブロックは、前記第１のブロックに含まれる前記複数段の共振素子のうち少なくともいずれか１つの共振素子と、前記第２のブロックに含まれる前記複数段の共振素子のうち少なくともいずれか１つの共振素子との結合により、縦接続されており、
前記入力部は、前記第１のブロックにおける前記複数段の共振素子のうち前記いずれか１つの共振素子と異なる共振素子に接続され、
前記出力部は、前記第２のブロックにおける前記複数段の共振素子のうち前記いずれか１つの共振素子と異なる共振素子に接続された
ことを特徴とする。
また本発明の一態様によるフィルタ回路は、
誘電体基板上に所定の導体パターンを形成することにより、少なくとも４段以上の複数
段の共振素子が配置されたフィルタ回路において、
前記複数段の共振素子のうち、所望の４段の前記共振素子を形成する第１乃至第４の共振素子は、前記第１及び第２の共振素子間と、前記第２及び第３の共振素子間と、前記第３及び第４の共振素子間と、前記第４及び第１の共振素子間とを、電磁界によって結合するように配置され、
前記誘電体基板上のうち、前記共振素子が形成された素子形成領域を除く領域であって、前記第１の共振素子が形成された第１の領域の重心と、前記第３の共振素子が形成された第３の領域の重心とを結ぶ第１の線分のうち、前記第１及び第３の共振素子が形成された前記第１及び第３の領域を除く前記第１の線分と交差するようにして、前記第２及び第４の共振素子間に配置される第１の結合素子と、
前記誘電体基板上のうち、前記共振素子が形成された前記素子形成領域を除く領域であって、前記第２の共振素子が形成された第２の領域の重心と、前記第４の共振素子が形成された第４の領域の重心とを結ぶ第２の線分のうち、前記第２及び第４の共振素子が形成された前記第２及び第４の領域を除く前記第２の線分と交差するようにして、前記第１及び第３の共振素子間に配置される第２の結合素子とのうち、少なくともいずれか一方を備え、
前記第１及び第２の結合素子の電気長は、前記共振回路が有する中心周波数及び帯域幅を基に決定される周波数範囲に応じた範囲を有する波長における、半波長の整数倍の電気長を除く範囲の中から選定され、
前記共振素子は、超電導体を用いて形成された
ことを特徴とする。
また本発明の一態様によるアンテナ装置は、
誘電体基板上に所定の導体パターンを形成することにより、放射素子として少なくとも４段以上の複数段の共振素子が配置され、かつ給電線路として入力部が配置されたアンテナ装置において、
前記複数段の共振素子のうち、所望の４段の前記共振素子を形成する第１乃至第４の共振素子は、前記第１及び第２の共振素子間と、前記第２及び第３の共振素子間と、前記第３及び第４の共振素子間と、前記第４及び第１の共振素子間とを、電磁界によって結合するように配置され、
前記誘電体基板上のうち、前記共振素子が形成された素子形成領域を除く領域であって、前記第１の共振素子が形成された第１の領域の重心と、前記第３の共振素子が形成された第３の領域の重心とを結ぶ第１の線分のうち、前記第１及び第３の共振素子が形成された前記第１及び第３の領域を除く前記第１の線分と交差するようにして、前記第２及び第４の共振素子間に配置される第１の結合素子と、
前記誘電体基板上のうち、前記共振素子が形成された前記素子形成領域を除く領域であって、前記第２の共振素子が形成された第２の領域の重心と、前記第４の共振素子が形成された第４の領域の重心とを結ぶ第２の線分のうち、前記第２及び第４の共振素子が形成された前記第２及び第４の領域を除く前記第２の線分と交差するようにして、前記第１及び第３の共振素子間に配置される第２の結合素子とのうち、少なくともいずれか一方を備え、
前記第１及び第２の結合素子の電気長は、前記共振回路が有する中心周波数及び帯域幅を基に決定される周波数範囲に応じた範囲を有する波長における、半波長の整数倍の電気長を除く範囲の中から選定される。
本発明によれば、2つの共振素子間に配置した結合素子により飛び越し結合の結合量が制御できる。
また、本発明によれば、4つの共振素子のブロックについて、飛び越し結合の結合量を結合素子により制御し、飛び越し結合を打ち消すことでフィルタ特性、または、アンテナの定在波比および利得を改善することができる。
また、本発明によれば、共振素子を密集させて配置しても、理想的なフィルタ特性を実現できるため、小形フィルタを構成することができる。
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
（１）第１の実施の形態
図１は、第1の実施の形態によるフィルタを示すものである。フィルタ10は、入力部100と出力部101の伝送線路にて外部と接続されており、4つの共振素子102, 103, 104および105を持つ。共振素子は、図1に示すメアンダーライン形状の他にヘアピン、オープンループ、スパイラル形状など多様な形状をとることができる。また、入出力部の外部との接続は、直接共振素子に接続することもできる。
フィルタ10は、小形化のためこれらの共振素子102〜105が互いに近づくような密集構造となっている。これらの共振素子102〜105は、両端開放のマイクロストリップ線路を折り曲げた構造であり、フィルタ仕様の中心周波数fcとフィルタの帯域幅dfから定義されるfc-df/2からfc+df/2の周波数範囲内にてほぼ半波長の整数倍となる電気長を持つ。
4つの共振素子102, 103, 104および105は、図1中の共振素子102から反時計周りに共振素子102を1番, 共振素子103を2番, 共振素子104を3番, 共振素子105を4番と番号づける。番号づけに関して、4つの共振素子のうち、任意の素子を1番とし、その素子から時計周り、または反時計周りに順に番号づける。
各共振素子102〜105は、1, 2番目、2, 3番目、3, 4番目および1, 4番目の共振素子間で結合しており、4つの共振素子で1つのブロックを形成している。その結合値は、例えば10-2から10-5程度であり、共振素子間の距離を変えることで制御可能である。各共振素子間の結合は、共振素子間の間隔によるギャップ結合または伝送線路による線路結合である。
本実施の形態におけるフィルタ10は、4つの共振素子102〜105が近づき密集する構造であるため、1, 3番目および2, 4番目の共振素子間に未制御な飛び越し結合が存在する。この飛び越し結合を選択的に制御するため、例えば1, 3番目の共振素子間に飛び越し結合制御用の結合素子106を設ける。
この結合素子106の電気長tはfcに対応するように定義すると、fcとdfより定義されるfc-df/2からfc+df/2の周波数範囲の半波長の電気長tfc、および、この範囲の電気長の整数倍を除くような範囲、例えば0°<t<tfcおよび tfc<t<2tfcとなり、結合素子の電気長や配置を変えることで飛び越し結合の制御を行う。
なお、この場合、１波長は、上述の周波数範囲内に存在する周波数（例えば、所定のステップ幅毎に存在する周波数）の逆数と、電磁波の速さとを乗算することにより算出され、上述の周波数範囲に応じた範囲を有する。
実際のフィルタ回路において、結合素子の電気長tは、基板の誘電率と線路の寸法を電磁界シミュレータに入力し、計算することにより算出することができる。図1の結合素子106の電気長は、共振素子の電気長の半分以下であり、この結合素子106を設けることにより1, 3番目の共振素子間の飛び越し結合を打ち消す。
結合素子は、図2に示すような各共振素子のパターンが存在する範囲（領域）107, 108, 109および110と、この範囲から求まる重心111より、1番目の共振素子の範囲107と3番目の共振素子の範囲109の重心を結んだ線分から1, 3番目の共振素子の存在する範囲107および109を除いた線分112と、2番目の範囲108と4番目の範囲110の重心を結んだ線分から2, 4番目の共振素子の存在する範囲108および110を除いた線分113を用いて、例えば1, 3番目の共振素子間の結合制御を行う結合素子は、共振素子の存在する範囲107, 108, 109および110以外の場所に、線分113を横切るように配置する。
共振素子の範囲は、1つの共振素子のパターンの頂点から、その範囲が最大になるような複数の頂点を選び、その頂点を結んだ範囲となり、円形状の場合はそのパターンが存在する範囲となる。
フィルタ10は、誘電体基板としての絶縁基板(図示略)上に形成された導電性材料でつくることができる。絶縁基板は、片面に地導体を有し、反対面に線路導体を有する。導電性材料は、銅や金といた金属、ニオブまたはニオブすずといった超電導体、およびＹ系銅酸化物高温超電導を含む。基板は、酸化マグネシウム、サファイアまたはアルミン酸ランタンといった、多様の適した材料である。例えば、厚さ約0.43 ｍｍ、比誘電率約10の酸化マグネシウム基板（図示略）上に超電導マイクロストリップ線路を形成する。ここで、マイクロストリップ線路の超電導体は、厚さ約500ｎｍのＹ系銅酸化物高温超電導薄膜を用い、ストリップ導体の線路幅は約0.4ｍｍである。超電導薄膜は、レーザー蒸着法、スパッタ法あるいは共蒸着法などにより形成することができる。また、フィルタ構造としては、マイクロストリップ線路の他に、ストリップ線路、コプレーナ線路といった多様な適した構造とすることができる。
図3のフィルタ11は、1, 3番目および2, 4番目の共振素子間の未制御な飛び越し結合において、1, 3番目の共振素子間の結合制御を行う結合素子は、共振素子の存在する範囲107, 108, 109および110以外の場所に、線分113を横切るように配置し、2, 4番目の共振素子間の結合制御を行う結合素子は、共振素子の存在する範囲107, 108, 109および110以外の場所に、線分112を横切るように配置するため、結合素子114の形状は2つの結合素子が交差した形状とすることができる。
結合素子106および114は、多様な形状とすることができる。例えば、両端開放の線路形状、方形、矩形、十字形、円形、楕円形、更には複数の開放端を持つ線路形状、または、他の適格な形状であり得る。
図4は、図1のフィルタ10の結合関係を等価回路で表した図である。各共振素子はコンダクタンスとインダクタンスの並列で表され、各共振素子間の結合はJインバータで表される。ここで、1, 3番目の共振素子間の結合は、結合素子106による逆符号の結合が並列に入ることにより選択的に打ち消される。
図5は、図3のフィルタ11の結合関係を等価回路で表した図である。ここで、1, 3番目および2, 4番目の共振素子間の結合は、結合素子114による逆符号の結合が並列に入ることにより打ち消され、所望の結合のみによる理想的なフィルタ回路が実現される。
図6はフィルタ11において結合素子114が無く、飛び越し結合が存在する場合のフィルタ特性であり、図7は結合素子114が配置された場合のフィルタ特性である。飛び越し結合が、結合素子114により打ち消されることにより、フィルタ特性が改善され、理想的なフィルタ特性が得られる。
具体的には、通過特性Ｓ２１では、中心周波数2.00ＧＨｚを基準として周波数特性をほぼ左右対称にすることができ、また反射特性Ｓ１１では、中心周波数2.00ＧＨｚを中心に帯域幅dfの範囲内にて反射特性Ｓ１１をほぼ−３０ｄＢにすることができる。
このように本実施の形態によれば、共振回路を構成する共振素子102〜105のうち、2つの共振素子間に存在する未制御な飛び越し結合を、新たにその共振素子間に配置した結合素子106を用いて制御し、平面上においては実現が難しい2つの共振素子が結合しない状態もしくは、結合量が弱くなる状態をつくりだし、平面フィルタの特性の改善を図ることができる。
（２）第２の実施の形態
図8は、第２の実施の形態によるフィルタを示すものである。フィルタ60は、入力部600と出力部601の伝送線路にて外部と接続されており、6つの共振素子602, 603, 604, 605, 606および607からなる6段フィルタである。共振素子は、両端開放のオープンループ形状である。
フィルタ60は、小形化のためこれらの共振素子602〜607が互いに近づくような密集構造となっている。これらの共振素子602〜607は、両端開放のマイクロストリップ線路を折り曲げた構造であり、フィルタ仕様の中心周波数fcとフィルタの帯域幅dfから定義されるfc-df/2からfc+df/2の周波数範囲内にて半波長の整数倍となる電気長を持つ。
6つの共振素子602, 603, 604, 605, 606および607から選び出した4つの共振素子603, 604, 605および606からなるブロックに対して、図中左上の共振素子604から反時計周りに共振素子604を1番, 共振素子603を2番, 共振素子606を3番, 共振素子605を4番と番号づける。番号づけに関して、4つの共振素子のうち、任意の素子を1番とし、その素子から時計周り、または反時計周りに順に番号づけることができる。
4つの共振素子の選び方は、選び出し番号づけした各共振素子が、1, 2番目、2, 3番目、3, 4番目および1, 4番目の共振素子間で結合するように行われ、その結合値は、例えば10-2から10-5程度である。また、1, 3番目の共振素子の存在する範囲の重心を結んだ線分が、2, 4番目の共振素子の存在する範囲の重心を結んだ線分と交差するよう選ぶ。
結合素子608および609は、1番の共振素子604と2番の共振素子603を結合させる結合素子および3番の共振素子606と2番の共振素子605を結合させる結合素子であり、1, 2番目、2, 3番目、3, 4番目および1, 4番目の共振素子間の結合は、ギャップ結合あるいは線路結合である。
本実施の形態におけるフィルタ60は、共振素子603〜606が近づき密集する構造であるため、1, 3番目および2, 4番目の共振素子間に未制御な飛び越し結合が存在する。この飛び越し結合の大きさを選択的に制御するため、例えば1, 3番目の共振素子間に飛び越し結合制御用の結合素子610を設ける。
この結合素子610の電気長tはfcに対応するように定義すると、fcとdfより定義されるfc-df/2からfc+df/2の周波数範囲の半波長の電気長tfc、および、この範囲の電気長の整数倍を除くような範囲、例えば0°<t<tfcおよび tfc<t<2tfcとなり、結合素子の電気長や配置を変えることで飛び越し結合の制御を行うことができる。
6つの共振素子602, 603, 604, 605, 606および607から選び出した4つの共振素子602, 603, 606および607からなるブロックに対して、図中左上の共振素子603から反時計周りに共振素子603を1番, 共振素子602を2番, 共振素子607を3番, 共振素子606を4番と番号づける。選び出し番号づけした各共振素子602, 603, 606および607は、1, 2番目、2, 3番目、3, 4番目および1, 4番目の共振素子間で結合しており、その結合値は、例えば10-2から10-5程度である。
1, 3番目および2, 4番目の共振素子間に未制御な飛び越し結合の大きさを制御するため、飛び越し結合制御用の結合素子611を設ける。この結合素子611の形状や配置を変えることで飛び越し結合の制御を行うことができる。
フィルタ60は、誘電体基板としての絶縁基板(図示略)上に形成された導電性材料でつくることができる。絶縁基板は、片面に地導体を有し、反対面に線路導体を有する。導電性材料は、銅や金といた金属、ニオブまたはニオブすずといった超電導体、およびＹ系銅酸化物高温超電導を含む。基板は、酸化マグネシウム、サファイアまたはアルミン酸ランタンといった、多様の適した材料である。例えば、厚さ約0.43 ｍｍ、比誘電率約10の酸化マグネシウム基板（図示略）上に超電導マイクロストリップ線路を形成する。ここで、マイクロストリップ線路の超電導体は、厚さ約500ｎｍのＹ系銅酸化物高温超電導薄膜を用い、ストリップ導体の線路幅は約0.4ｍｍである。超電導薄膜は、レーザー蒸着法、スパッタ法あるいは共蒸着法などにより形成することができる。
（３）第３の実施の形態
図9は、第3の実施の形態によるフィルタを示すものである。フィルタ70は、入力部700と出力部701の伝送線路にて外部と接続されており、8つの共振素子702, 703, 704, 705, 706, 707, 708および709からなる8段フィルタである。共振素子は楕円形状であり、フィルタ70は、共振素子702〜709が互いに近づくような密集構造となっている。また、フィルタ70は4つの共振素子702, 703, 704および705からなるブロック1と4つの共振素子706, 707, 708および709からなるブロック2の2つのブロックで構成され、ブロック1の共振素子705とブロック2の共振素子706がギャップ結合により結合し、縦接続した構造である。
ブロック1に対して、図中の共振素子702から反時計周りに共振素子702を1番, 共振素子703を2番, 共振素子704を3番, 共振素子705を4番と番号づける。また、ブロック2に対して、図中の共振素子706から反時計周りに共振素子706を1番, 共振素子707を2番, 共振素子708を3番, 共振素子709を4番と番号づける。
このフィルタ70の飛び越し結合の大きさを選択的に制御するため、例えばブロック1の2, 4番目の共振素子間に飛び越し結合制御用の結合素子710およびブロック2の1, 3番目の共振素子間に結合素子711を設ける。これら結合素子710及び711の電気長tはfcに対応するように定義すると、fcとdfより定義されるfc-df/2からfc+df/2の周波数範囲の半波長の電気長tfc、および、この範囲の電気長の整数倍を除くような範囲、例えば0°<t<tfcおよび tfc<t<2tfcとなり、結合素子の電気長や配置を変えることで飛び越し結合の制御を行うことができる。また、フィルタ特性に対する影響が大きい飛び越し結合を選択的に制御できる。
ブロック間の不要な飛び越し結合に対して、ブロック1の3番目とブロック2の1番目、ブロック1の4番目とブロック2の2番目およびブロック1の3番目とブロック2の4番目の共振素子間に結合素子を設け、飛び越し結合を制御することもできる。
フィルタ70は、誘電体基板としての絶縁基板(図示略)上に形成された導電性材料でつくることができる。絶縁基板は、片面に地導体を有し、反対面に線路導体を有する。導電性材料は、銅や金といた金属、ニオブまたはニオブすずといった超電導体、およびＹ系銅酸化物高温超電導を含む。基板は、酸化マグネシウム、サファイアまたはアルミン酸ランタンといった、多様の適した材料である。例えば、厚さ約0.43 ｍｍ、比誘電率約10の酸化マグネシウム基板（図示略）上に超電導マイクロストリップ線路を形成する。ここで、マイクロストリップ線路の超電導体は、厚さ約500ｎｍのＹ系銅酸化物高温超電導薄膜を用い、ストリップ導体の線路幅は約0.4ｍｍである。超電導薄膜は、レーザー蒸着法、スパッタ法あるいは共蒸着法などにより形成することができる。
図10はフィルタ70において結合素子710および711が無く、不要な飛び越し結合が存在する場合のフィルタ特性であり、図11は結合素子710および711が配置された場合のフィルタ特性である。不要な飛び越し結合が、結合素子710および711により一部打ち消され、フィルタ特性を改善することができる。
具体的には、通過特性Ｓ２１では、中心周波数2.00ＧＨｚを基準として周波数特性をほぼ左右対称にすることができ、また反射特性Ｓ１１では、中心周波数2.00ＧＨｚを中心に帯域幅dfの範囲内にて反射特性S11をほぼ−２０ｄＢにすることができる。
（４）第４の実施の形態
図12は、第4の実施の形態によるフィルタを示すものである。フィルタ80は、入力部800と出力部801の伝送線路にて外部と接続されており、8つの共振素子802, 803, 804, 805, 806, 807, 808および809からなる8段フィルタである。共振素子は、両端開放のマイクロストリップ線路を折り曲げたヘアピン構造であり、フィルタ仕様の中心周波数fcとフィルタの帯域幅dfから定義されるfc-df/2からfc+df/2の周波数範囲内にて半波長の整数倍となる電気長を持つ。
フィルタ80は、4つの共振素子802, 803, 804および805からなるブロック1と4つの共振素子806, 807, 808および809からなるブロック2の2つのブロックで構成され、ブロック1の共振素子805とブロック2の共振素子806を、ブロック間結合用の結合素子814により縦接続した構造である。ここで、結合素子814は共振素子に直接接続し結合を実現している。結合の大きさは接続位置や結合素子の電気長tを変化させることで制御することができる。
ブロック1に対して、図中の共振素子802から時計周りに共振素子802を1番, 共振素子803を2番, 共振素子804を3番, 共振素子805を4番と番号づける。ここで、ブロック1では、1番の共振素子802と4番の共振素子805の間の結合を、共振素子間結合用の結合素子810にて実現し、2番の共振素子803と3番の共振素子804の間の結合を、共振素子間結合用の結合素子811にて実現している。
また、ブロック2に対して、図中の共振素子806から時計周りに共振素子806を1番, 共振素子807を2番, 共振素子808を3番, 共振素子809を4番と番号づける。ここで、ブロック2では1番の共振素子806と4番の共振素子809の間の結合を、共振素子間結合用の結合素子812にて実現し、2番の共振素子807と3番の共振素子808の間の結合を、共振素子間結合用の結合素子813にて実現している。
このフィルタ80の不要な飛び越し結合の大きさを選択的に制御するため、例えばブロック1の1, 3番目の共振素子間に飛び越し結合制御用の結合素子816およびブロック2の1, 3番目の共振素子間に飛び越し結合制御用の結合素子817を設ける。
これら結合素子816及び817の電気長tはfcに対応するように定義すると、fcとdfより定義されるfc-df/2からfc+df/2の周波数範囲の半波長の電気長tfc、および、この範囲の電気長の整数倍を除くような範囲、例えば0°<t<tfcおよび tfc<t<2tfcとなり、結合素子の電気長や配置を変えることで飛び越し結合の制御を行うことができる。
また、ブロック間の不要な飛び越し結合に対して、ブロック1の3番目とブロック2の2番目の共振素子間に結合素子815を設け、飛び越し結合の制御を行う。
フィルタ80は、誘電体基板としての絶縁基板(図示略)上に形成された導電性材料でつくることができる。絶縁基板は、片面に地導体を有し、反対面に線路導体を有する。導電性材料は、銅や金といた金属、ニオブまたはニオブすずといった超電導体、およびＹ系銅酸化物高温超電導を含む。基板は、酸化マグネシウム、サファイアまたはアルミン酸ランタンといった、多様の適した材料である。例えば、厚さ約0.43 ｍｍ、比誘電率約10の酸化マグネシウム基板（図示略）上に超電導マイクロストリップ線路を形成する。ここで、マイクロストリップ線路の超電導体は、厚さ約500ｎｍのＹ系銅酸化物高温超電導薄膜を用い、ストリップ導体の線路幅は約0.4ｍｍである。超電導薄膜は、レーザー蒸着法、スパッタ法あるいは共蒸着法などにより形成することができる。
（５）第５の実施の形態
図13は、第5の実施の形態によるフィルタを示すものである。フィルタ90は、入力部900と出力部901の伝送線路にて外部と接続されており、8つの共振素子902, 903, 904, 905, 906, 907, 908および909からなる8段フィルタである。共振素子は、両端開放のマイクロストリップ線路を折り曲げたヘアピン構造であり、フィルタ仕様の中心周波数fcとフィルタの帯域幅dfから定義されるfc-df/2からfc+df/2の周波数範囲内にて半波長の整数倍となる電気長を持つ。
フィルタ90は、4つの共振素子902, 903, 904および905からなるブロック1と4つの共振素子906, 907, 908および909からなるブロック2の2つのブロックで構成され、ブロック1の共振素子905とブロック2の共振素子906を、ブロック間結合用の結合素子914により縦接続した構造である。ここで、結合素子914は両端開放の結合素子である。結合の大きさは配置する位置や結合素子の電気長tを変化させることで制御することができる。
ブロック1に対して、図中の共振素子902から時計周りに共振素子902を1番, 共振素子903を2番, 共振素子904を3番, 共振素子905を4番と番号づける。ここで、ブロック1では、1番の共振素子902と4番の共振素子905の間の結合を、共振素子間結合用の結合素子910にて実現し、2番の共振素子903と3番の共振素子904の間の結合を、共振素子間結合用の結合素子911にて実現している。
また、ブロック2に対して、図中の共振素子906から時計周りに共振素子906を1番, 共振素子907を2番, 共振素子908を3番, 共振素子909を4番と番号づける。ここで、ブロック2では1番の共振素子906と4番の共振素子909の間の結合を、共振素子間結合用の結合素子912にて実現し、2番の共振素子907と3番の共振素子908の間の結合を、共振素子間結合用の結合素子913にて実現している。
このフィルタ90の不要な飛び越し結合の大きさを選択的に制御するため、例えばブロック1の2, 4番目の共振素子間に飛び越し結合制御用の結合素子916およびブロック2の1, 3番目の共振素子間に飛び越し結合制御用の結合素子917を設ける。
これら結合素子916及び917の電気長tはfcに対応するように定義すると、fcとdfより定義されるfc-df/2からfc+df/2の周波数範囲の半波長の電気長tfc、および、この範囲の電気長の整数倍を除くような範囲、例えば0°<t<tfcおよび tfc<t<2tfcとなり、結合素子の電気長や配置を変えることで飛び越し結合の制御を行うことができる。
また、ブロック間の不要な飛び越し結合に対して、ブロック1の3番目とブロック2の2番目の共振素子間に結合素子915を設け、飛び越し結合の制御を行うことができる。
フィルタ90は、誘電体基板としての絶縁基板(図示略)上に形成された導電性材料でつくることができる。絶縁基板は、片面に地導体を有し、反対面に線路導体を有する。導電性材料は、銅や金といた金属、ニオブまたはニオブすずといった超電導体、およびＹ系銅酸化物高温超電導を含む。基板は、酸化マグネシウム、サファイアまたはアルミン酸ランタンといった、多様の適した材料である。例えば、厚さ約0.43 ｍｍ、比誘電率約10の酸化マグネシウム基板（図示略）上に超電導マイクロストリップ線路を形成する。ここで、マイクロストリップ線路の超電導体は、厚さ約500ｎｍのＹ系銅酸化物高温超電導薄膜を用い、ストリップ導体の線路幅は約0.4ｍｍである。超電導薄膜は、レーザー蒸着法、スパッタ法あるいは共蒸着法などにより形成することができる。
（６）第６の実施の形態
図14は、第6の実施の形態であるアンテナを示すものである。アンテナ1000は、給電線路1001の伝送線路にて外部と接続されており、一方の面に接地導体層が形成された誘電体基板上に、4つの共振素子1002, 1003, 1004, 1005で構成される4素子アレーアンテナである。共振素子は、図14に示す長方形のパッチ構造の他に、直線構造、円形、楕円形など多様な形状をとることができ、仕様の中心周波数fcにて半波長となる電気長を持つ。給電線路1001を変更することで、各素子の位相を変えることができる。
ここで、各共振素子は相互に結合しており、図中の共振素子1002から反時計周りに共振素子1002を1番, 共振素子1003を2番, 共振素子1004を3番, 共振素子1005を4番と番号づける。この共振素子間の結合の大きさを選択的に制御するため、例えば2, 4番目の共振素子間に飛び越し結合制御用の結合素子1006を設ける。
結合素子1006は、多様な形状とすることができる。例えば、両端開放の線路形状、方形、矩形、十字形、円形、楕円形、更には複数の開放端を持つ線路形状、または、他の適格な形状であり得る。この結合素子の電気長や配置を変えることで素子間の結合の制御を行うことができる。
アンテナ1000は、誘電体基板としての絶縁基板(図示略)上に形成された導電性材料でつくることができる。絶縁基板は、片面に地導体を有し、反対面に線路導体を有する。導電性材料は、銅や金といた金属、ニオブまたはニオブすずといった超電導体、およびＹ系銅酸化物高温超電導を含む。基板は、酸化マグネシウム、サファイアまたはアルミン酸ランタンといった、多様の適した材料である。例えば、厚さ約0.43 ｍｍ、比誘電率約10の酸化マグネシウム基板（図示略）上に超電導マイクロストリップ線路を形成する。ここで、マイクロストリップ線路の超電導体は、厚さ約500ｎｍのＹ系銅酸化物高温超電導薄膜を用い、ストリップ導体の線路幅は約0.4ｍｍである。超電導薄膜は、レーザー蒸着法、スパッタ法あるいは共蒸着法などにより形成することができる。
このように本実施の形態によれば、共振回路を構成する共振素子1002〜1005のうち、2つの共振素子間に存在する未制御な飛び越し結合を、新たにその共振素子間に配置した結合素子1006を用いて制御し、平面上においては実現が難しい2つの共振素子が結合しない状態もしくは、結合量が弱くなる状態をつくりだし、平面アンテナの特性の改善を図ることができる。
（７）第７の実施の形態
図15は、第7の実施の形態であるアンテナを示すものである。アンテナ1500は、一方の面に接地導体層1900が形成され、もう一方の面に給電線路2002を備えた誘電体基板2001と、一方の面に8つの共振素子2003〜2010を備えた誘電体基板2000を積層した構造となっており、給電線路2002の伝送線路にて外部と接続されている。
このアンテナ1500は、8つの共振素子2003〜2010で構成される8素子アレーアンテナである。共振素子は、図15に示す長方形のパッチ構造の他に直線構造、円形、楕円形など多様な形状をとることができ、仕様の中心周波数fcにて半波長となる電気長を持つ。給電線路2002の伝送線路の形状を変更することで、各素子の位相を変えることができる。更に、位相器を用いて、各素子の位相を変化させてもよい。また、各共振素子2003〜2010の給電は、ビアホールを用いて直接素子に給電することもできる。
ここで、各共振素子2003〜2010は相互に結合しており、8つの共振素子2003〜2010から選び出した隣り合う4つの共振素子2003〜2006、図中の共振素子2003から反時計周りに共振素子2003を1番, 共振素子2004を2番, 共振素子2005を3番, 共振素子2006を4番と番号づける。
この共振素子間の結合の大きさを選択的に制御するため、例えば1,3番目及び2, 4番目の共振素子間に飛び越し結合制御用の結合素子2011を設ける。この結合素子2011の電気長、配置、形状を変えることで素子間の結合の制御を行うことができる。また、結合素子2011は多様な形状とすることができる。例えば、両端開放の線路形状、方形、矩形、十字形、円形、楕円形、更には複数の開放端を持つ線路形状、または、他の適格な形状であり得る。
同様に、他の隣り合う共振素子の組み合わせである、共振素子2005〜2008の相互間の結合は、飛び越し結合制御用の結合素子2012にて制御し、共振素子2007〜2010の相互間の結合は、飛び越し結合制御用の結合素子2013にて制御することができる。
このアンテナ1500は、誘電体基板2000上に形成された導電性材料でつくることができる。導電性材料は、銅や金といた金属、ニオブまたはニオブすずといった超電導体、およびＹ系銅酸化物高温超電導を含む。基板は、酸化マグネシウム、サファイアまたはアルミン酸ランタンといった、多様の適した材料である。
なお上述の実施の形態は一例であって、本発明を限定するものではない。例えば共振素子の段数は、４段、６段又は８段ではなく、少なくとも４段以上の複数段であれば良い。
本発明の第１の実施の形態によるフィルタの構成を示す平面図である。 同フィルタを形成する共振素子及び結合素子の配置を示す平面図である。 本発明の第１の実施の形態によるフィルタの構成を示す平面図である。 本発明の第１の実施の形態によるフィルタの等価回路を示す回路図である。 同フィルタの等価回路を示す回路図である。 比較例によるフィルタの周波数特性を示す説明図である。 第１の実施の形態によるフィルタの周波数特性を示す説明図である。 本発明の第２の実施の形態によるフィルタの構成を示す平面図である。 本発明の第３の実施の形態によるフィルタの構成を示す平面図である。 比較例によるフィルタの周波数特性を示す説明図である。 第３の実施の形態によるフィルタの周波数特性を示す説明図である。 本発明の第４の実施の形態によるフィルタの構成を示す平面図である。 本発明の第５の実施の形態によるフィルタの構成を示す平面図である。 本発明の第６の実施の形態によるフィルタの構成を示す平面図である。 本発明の第７の実施の形態によるフィルタの構成を示す平面図である。
符号の説明
10, 11, 60, 70, 80, 90 フィルタ
100, 600, 700, 800, 900 入力部
101, 601, 701, 801, 901 出力部
102〜105, 602〜607, 702〜709, 802〜809, 902〜909, 1002〜1005, 2003〜2010 共振素子
106, 114, 610, 611, 710〜711, 815〜817, 915〜917, 1006, 2011-2013 飛び越し結合制御用の結合素子
608〜609, 810〜813, 910〜913 共振素子間結合用の結合素子
814, 914 ブロック間結合用の結合素子
1000,1500 アンテナ
1001, 2002 給電線路

Claims (7)

  1. 誘電体基板上に所定の導体パターンを形成することにより、それぞれ少なくとも４段以上の複数段の共振素子からなる第１および第２のブロックと、外部に接続可能な入力部及び出力部とが配置された共振回路において、
    前記第１および第２のブロックのそれぞれにおける前記複数段の共振素子のうち、所望の４段の前記共振素子を形成する第１乃至第４の共振素子は、前記第１及び第２の共振素子間と、前記第２及び第３の共振素子間と、前記第３及び第４の共振素子間と、前記第４及び第１の共振素子間とを、電磁界によって結合するように配置され、
    前記第１および第２のブロックのそれぞれは、
    前記誘電体基板上のうち、前記共振素子が形成された素子形成領域を除く領域であって、前記第１の共振素子が形成された第１の領域の重心と、前記第３の共振素子が形成された第３の領域の重心とを結ぶ第１の線分のうち、前記第１及び第３の共振素子が形成された前記第１及び第３の領域を除く前記第１の線分と交差するようにして、前記第２及び第４の共振素子間に配置される第１の結合素子と、
    前記誘電体基板上のうち、前記共振素子が形成された前記素子形成領域を除く領域であって、前記第２の共振素子が形成された第２の領域の重心と、前記第４の共振素子が形成された第４の領域の重心とを結ぶ第２の線分のうち、前記第２及び第４の共振素子が形成された前記第２及び第４の領域を除く前記第２の線分と交差するようにして、前記第１及び第３の共振素子間に配置される第２の結合素子とのうち、少なくともいずれか一方を備え、
    前記第１および第２のブロックのそれぞれにおいて、前記第１及び第２の結合素子の電気長は、前記共振回路が有する中心周波数及び帯域幅を基に決定される周波数範囲に応じた範囲を有する波長における、半波長の整数倍の電気長を除く範囲の中から選定され、
    前記第１および第２のブロックは、前記第１のブロックに含まれる前記複数段の共振素子のうち少なくともいずれか１つの共振素子と、前記第２のブロックに含まれる前記複数段の共振素子のうち少なくともいずれか１つの共振素子との結合により、縦接続されており、
    前記入力部は、前記第１のブロックにおける前記複数段の共振素子のうち前記いずれか１つの共振素子と異なる共振素子に接続され、
    前記出力部は、前記第２のブロックにおける前記複数段の共振素子のうち前記いずれか１つの共振素子と異なる共振素子に接続された
    ことを特徴とする共振回路。
  2. 前記第１および第２のブロックのそれぞれにおける前記第１及び第２の結合素子は、両端開放の線路からなることを特徴とする請求項１記載の共振回路。
  3. 前記第１および第２のブロックのそれぞれにおける前記第１及び第２の結合素子は、複数の開放端を有する線路からなることを特徴とする請求項１記載の共振回路。
  4. 前記誘電体基板の下方には地導体が形成されたことを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の共振回路。
  5. 前記第１および第２のブロックのそれぞれにおける前記共振素子は、超電導体を用いて形成されたことを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の共振回路。
  6. 誘電体基板上に所定の導体パターンを形成することにより、少なくとも４段以上の複数
    段の共振素子が配置されたフィルタ回路において、
    前記複数段の共振素子のうち、所望の４段の前記共振素子を形成する第１乃至第４の共振素子は、前記第１及び第２の共振素子間と、前記第２及び第３の共振素子間と、前記第３及び第４の共振素子間と、前記第４及び第１の共振素子間とを、電磁界によって結合するように配置され、
    前記誘電体基板上のうち、前記共振素子が形成された素子形成領域を除く領域であって、前記第１の共振素子が形成された第１の領域の重心と、前記第３の共振素子が形成された第３の領域の重心とを結ぶ第１の線分のうち、前記第１及び第３の共振素子が形成された前記第１及び第３の領域を除く前記第１の線分と交差するようにして、前記第２及び第４の共振素子間に配置される第１の結合素子と、
    前記誘電体基板上のうち、前記共振素子が形成された前記素子形成領域を除く領域であって、前記第２の共振素子が形成された第２の領域の重心と、前記第４の共振素子が形成された第４の領域の重心とを結ぶ第２の線分のうち、前記第２及び第４の共振素子が形成された前記第２及び第４の領域を除く前記第２の線分と交差するようにして、前記第１及び第３の共振素子間に配置される第２の結合素子とのうち、少なくともいずれか一方を備え、
    前記第１及び第２の結合素子の電気長は、前記共振回路が有する中心周波数及び帯域幅を基に決定される周波数範囲に応じた範囲を有する波長における、半波長の整数倍の電気長を除く範囲の中から選定され、
    前記共振素子は、超電導体を用いて形成された
    ことを特徴とするフィルタ回路。
  7. 誘電体基板上に所定の導体パターンを形成することにより、放射素子として少なくとも４段以上の複数段の共振素子が配置され、かつ給電線路として入力部が配置されたアンテナ装置において、
    前記複数段の共振素子のうち、所望の４段の前記共振素子を形成する第１乃至第４の共振素子は、前記第１及び第２の共振素子間と、前記第２及び第３の共振素子間と、前記第３及び第４の共振素子間と、前記第４及び第１の共振素子間とを、電磁界によって結合するように配置され、
    前記誘電体基板上のうち、前記共振素子が形成された素子形成領域を除く領域であって、前記第１の共振素子が形成された第１の領域の重心と、前記第３の共振素子が形成された第３の領域の重心とを結ぶ第１の線分のうち、前記第１及び第３の共振素子が形成された前記第１及び第３の領域を除く前記第１の線分と交差するようにして、前記第２及び第４の共振素子間に配置される第１の結合素子と、
    前記誘電体基板上のうち、前記共振素子が形成された前記素子形成領域を除く領域であって、前記第２の共振素子が形成された第２の領域の重心と、前記第４の共振素子が形成された第４の領域の重心とを結ぶ第２の線分のうち、前記第２及び第４の共振素子が形成された前記第２及び第４の領域を除く前記第２の線分と交差するようにして、前記第１及び第３の共振素子間に配置される第２の結合素子とのうち、少なくともいずれか一方を備え、
    前記第１及び第２の結合素子の電気長は、前記共振回路が有する中心周波数及び帯域幅を基に決定される周波数範囲に応じた範囲を有する波長における、半波長の整数倍の電気長を除く範囲の中から選定される
    ことを特徴とするアンテナ装置。
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