JP4365858B2 - 低プロファイルセラミックｒｆフィルター - Google Patents

Description

本発明は、無線周波数信号のための誘電体ブロックフィルターに関し、特に、単一ブロック多帯域通過フィルターに関する。

セラミックブロックフィルターは、多数の部品からなるフィルターに対していくつかの利点がある。このブロックは、比較的製造し易く、堅固であり、比較的コンパクトである。基本的なセラミックブロックフィルターの設計においては、共振器は、典型的には、ホールと称され、長く狭い側面から対向する長く狭い側面までブロックを通って延びる円筒状の通路から形成される。このブロックは、実質的に、その６つの（外側）側面のうちの１つを除く全ての側面上、及び共振器ホールにより形成される内側壁上において、導電性材料によりメッキされる（即ち、金属化される）。

スルーホールの開口を含む対向する２つの側面のうちの１つは全体的には金属化されないが、その代わり、入力及び出力信号を一連の共振器を通して結合するようにデザインされた金属化パターンを備えている。このパターン化された側面は、通例、ブロックの頂部と称されるが、基板に実装されたフィルターの向きに言及する際には、表面実装接続の反対の側面にも「頂部」の名称が用いられる。あるデザインでは、このパターンは、入出力電極が形成されるブロックの側面に延びている。

隣接する共振器間のリアクタンス結合は、少なくともある程度は、各共振器の物理的な寸法、他の共振器に対する各共振器の配向及び、頂部表面の金属化パターンの態様により支配される。ブロック内、及びブロック周辺の電磁界の相互作用は複雑であり、予見することは困難である。

これらのフィルターは、隣接しない共振器及び他のＲＦ用途の素子の部品との間での好ましくない寄生結合を打ち消すために、ブロックの開路端に取り付けられ、ブロックの開路端に渡って配置された外部金属シールドをも備える場合がある。
米国特許出願公開第２００３／２３１０８０号明細書

このようなＲＦ信号フィルターは、１９８０年代から広く商業的に受け入れられてきたが、この基本設計についての改良の努力は継続してきた。

世界各国の政府は、無線通信プロバイダーが追加的なサービスを提供することを許容するために、新たなより高いＲＦ周波数を商業用途に割り当てている。これらの新たに割り当てられた周波数をより良く利用するために、標準設置機構は、個々のチャネルと同様に、圧縮された伝送及び受信帯域の帯域幅仕様を採用してきた。

より高い周波数と相まって、チャネルの密集は、より小さい通信装置（例えば、電話機）及びより長いバッテリ寿命に向かう商業市場のトレンドである。特に、無線装置の設計者は、フィルターなどの無線部品の基板高さ、即ち必要とされるクリアランスを低減することに関わっている。薄膜バルクアコースティック共振器（ＦＢＡＲ）などの単一ブロックセラミックフィルターと現在競合する技術は、低減された基板高さの必要条件を提供する。しかし、これらの技術は比較的より高価である。

従って、本発明は、フィルター特性を犠牲にすることなく、より小さい単一ブロックセラミックフィルターを提供することを目的とする。

本発明は、より低い必要基板高さを有するが、通過帯域損失の低い多通過帯域セラミックブロックＲＦフィルターを提供することにより従来技術の問題点を克服する。

本発明は、アンテナ、伝送器及び受信器への接続に適合する通信信号フィルターを提供する。このフィルターは、アンテナから受信器への入来信号及び伝送器からアンテナへの送出信号を濾波することに適している。従って、このフィルターは、受信器信号通過帯域及び伝送器信号通過帯域の提供に適している。

本発明に従う通信フィルターは、第１、第２の端部部分及びその間の中央部分とを有する誘電体ブロックを含む。前記誘電体ブロック上には、第１、第２のアンテナ結合パッド、伝送器結合パッド及び受信器結合パッドが配置される。複数の結合された共振器が前記ブロックを貫通して延在している。トラップ共振器が前記ブロックを貫通して延在し、前記第１、第２のアンテナ結合パッドの間の前記中央部分に位置することにより、前記トラップ共振器は、必要とされる通過帯域の外側での減衰を増大させる。

このようなフィルターは、好ましくは、前記ブロックを貫通して延在し、端部部分に位置する追加的な一以上のトラップ共振器を含む。

フィルターの誘電体材料のコアは、第１端、第２端、頂部表面、底部表面を有し、前記頂部表面における開口と前記底部表面における開口の間に延在する複数のスルーホールを規定する。前記コアの表面は、複数の金属化された領域を有する。前記金属化された領域は、第１の入出力結合領域、前記第１端及び第２端の間のコアの長さに沿って前記第１の入出力結合領域から離間された第２の入出力結合領域、前記第１の入出力結合領域と前記第１端の間に位置する第３の入出力結合領域、及び前記第２の入出力結合領域と前記第２端の間に位置する第４の入出力結合領域を含む。

前記金属化された領域は、更に、比較的広範な領域を含む。前記比較的広範な領域は、前記スルーホールの側壁から前記コアの前記頂部表面及び前記底部表面の双方に向けて連続的に延在する。前記広範な領域は、前記スルーホールの内部から前記コアの前記底部表面及び前記側面に渡って連続する。

前記第１、第２の入出力結合領域は、相互に離間しているが、前記ブロックの前記中央部分に向けて配置される。前記第３、第４の入出力結合領域は、前記ブロックのそれぞれ第１端、第２端に向けて配置される。

好ましい実施形態では、前記第１、第２の結合領域は、通信装置のアンテナへの結合のためのものであり、第３、第４の結合領域は、通信装置のそれぞれ伝送器及び受信器への結合のためのものである。

前記コアの構成及び複数の金属化された領域の双方により、前記第１の入出力結合領域及び第２の入出力結合領域の間に位置する少なくとも一のスルーホール共振器を含む一連の共振器が規定される。この中央に配置された共振器が必要とされる通過帯域の外側での減衰を増大させる。

前記コア及び金属化された領域の双方により、前記第１、第２の入出力結合領域の間のデカップラーが更に規定される。このデカップラーは、好ましくは、前記頂部表面及び前記底部表面の双方において前記広範な領域に電気的に接続された金属化された側壁を有する複数のスルーホールのうちの一つである。

好ましい実施形態では、前記通信フィルターは、４つのトラップ共振器を含む。第１、第２のトラップ共振器は、前記第１、第２の入出力結合領域の間において前記デカップラーの両側に配置される。第３のトラップ共振器は、前記第３入出力結合領域に隣接して前記第３結合領域と前記ブロックの前記第１の端部の間に配置される。第４のトラップ共振器は、同様に、前記第４の入出力結合領域に隣接して前記第４の結合領域と前記ブロックの前記第２の端部の間に配置される。

本発明は、多くの異なる態様の実施例を許容するものであるが、本明細書及び添付の図面は、本発明の例として好ましい形態のみを開示している。しかし、本発明は、そのように開示される実施例に限定されるものではない。本発明の範囲は、添付の特許請求の範囲により特定される。

図１、２を参照すると、アンテナデュープレクサ、或いはＲＦフィルター１０は、細長い平行６面体（或いは「箱形状」）のセラミクス誘電体材料のコア１２を有している。コア１２は、対向する３組の側部表面、即ち、頂部１４及び底部１６、対向する長い側部１８、２０、対向する狭い端部又は側部２２、２４を有している。コア１２は、中央部２１を有している。側部１８、２０、２２及び２４の境界は平行な辺２６を規定している。コア１２は図中にその指示線が示される、長さＣ、幅Ｂ及び高さＡを有する。

コア１２は、それぞれが頂部表面１４と底部表面１６の開口の間に延在する一連のスルーホール通路３０Ａ、３０Ｂ、３０Ｃ、３０Ｄ、３０Ｅ、３０Ｆ、３０Ｇ、３０Ｈ、３０Ｉ及び３３を規定する。スルーホール３０Ａ、３０Ｉは、端部２２、２４に位置する。スルーホール３０Ｄ、３０Ｅ及び３３は中央部分２１に位置する。

コア１２は堅牢で、好ましくは機械的強度、誘電特性、メッキへの親和性及びコストに基づいて選択されたセラミック材料である。適切な誘電セラミックスの調整については、本明細書の教示に反しない限度で本明細書にその開示が組み込まれるジャクイン等への米国特許第６１０７２２７号及び米国特許第６２４２３７６号に開示されている。コア１２は、加熱工程において粉末状の別々の成分（例えば、Ａｌ_２Ｏ_３、ＴｉＯ_２、Ｚｒ_２Ｏ_３）を混合し、その後プレス成形し、更に、別々の成分を反応させて相互結合させる焼成工程を行うことにより調整される。

フィルター１０は、金属化又は非金属化された領域（又は区画）のパターン４０を有する。パターン４０は、広範で比較的広い金属化された領域４２及び非金属化された領域４４を含む。パターン４０は更に、複数の入出力結合金属化領域３４、３５、３６及び３７を含む。特に、パターン４０は、送信器結合領域３４、受信器金属化結合領域３７、第１アンテナ入出力結合領域３５及び第２のアンテナ入出力結合領域３６を有する。結合領域３４、３７は、側部表面１８に対応する表面実装パッド３４Ａ、３７Ａを有し、頂部表面１４に対応するそれぞれの延長部３４Ｂ、３７Ｂを有する。

第１及び第２のアンテナ結合領域３５、３６は、好ましくは、相互間及び表面実装パッド３８との間で、金属化された相互接続領域３９により電気的に連結される。結合領域３５及び３６は、対応する延長部３５Ｂ、３６Ｂを有する。

パッド３４Ａ、３７Ａ及び３８は、電子デバイスの他の回路要素に表面実装の形態で接続するために設けられている。従って、図中の支持線Ａで示される寸法は、フィルターの表面実装高さ、即ち基板プロファイルである。

広範な金属化された領域４２は、頂部表面１４及び側部表面１８の一部、及び底部表面１６と、側部表面２０、２２、２４と、スルーホール３０の側壁３２の実質的に全面を覆う。広範な金属化された領域４２は、共振器ホール３０の内部から頂部表面１４及び底部表面１６の双方に向けて連続的に延在する。領域４２は局所接地（local ground）としての役割を果たす。

コア１２とパターン４０が一体になって、スルーホール共振器３１Ａ、３１Ｂ、３１Ｃ、３１Ｄ、３１Ｅ、３１Ｆ、３１Ｇ、３１Ｈ及び３１Ｉを形成する。共振器パッド６０Ａ、６０Ｂ、６０Ｃ、６０Ｄ、６０Ｅ、６０Ｆ、６０Ｇ、６０Ｈ及び６０Ｉが頂部表面１４に配置される。これらは金属化された領域４２の一部であり、側壁３２の金属被覆に接続されている。

本発明の重要な特徴は、少なくとも一の中央に位置するトラップ共振器である。フィルター１０は、２つの中央に位置するトラップ共振器３１Ｄ及び３１Ｅを含む。共振器３１Ｄ及び３１Ｅはともに、第１、第２のアンテナ結合領域３５、３６の間に配置されている。本明細書においてスルーホール、共振器及び金属化された領域の相対位置を記述するために使用される「間」の語は、端部２２及び２４の間のブロックの長さＣ上でのフィルターの要素の実質的な配列を示称するものである。例えば、パッド３４Ａは一連のスルーホール３０から（側部１８に）オフセットしてはいるが、スルーホール３０Ａの位置は、表面実装パッド３４Ａと端部２２の間である。更に、「間」の語を用いて記述される要素の配列は、合理的な範囲の重なり合いを含む。

デカップラー４７は、共振器３１Ｄ、３１Ｅ間の誘導結合及び他の電磁的な結合を低減するためにスルーホール３０Ｄ、３０Ｅの間に配置される。デカップラー４７は、底部表面１６及び頂部表面１４において広い領域４２に接続される金属化された側壁１４を有するスルーホール３３の形態で設けられる。金属化されたスルーホール３３は、頂部表面１４において金属化された延長部６２により広い領域４２に接続される。換言すれば、二重に接続されたスルーホール３３はコア１２の中央部分に渡って延在する広い領域４２のバンドを形成する。

トラップ共振器３１Ｄ及び３１Ｅは、必要とされるフィルター通過帯域の外側の周波数における共振応答を与えるように調整される。対象となる周波数通過帯域の外側にトラップ共振器を配置することで、減衰の追加的な「ゼロ」又は極が生成され、これにより、より大きな設計の融通性及び許容幅、及び望ましい周波数応答が提供される。

フィルター１０は、好ましくは更に、端部表面２２、２４に向かうトラップ共振器を含む。スルーホール３１Ａ及び３１Ｉは、トラップゼロ又はトラップ共振器３１Ａ及び３１Ｉを形成する。トラップ共振器３１Ａは、伝送器結合領域３４及びコア端部表面２２の間においてこれらの双方に隣接する位置に配置される。同様に、トラップ共振器３１Ｉは、受信器結合領域３７及びコア端部表面２４の間においてこれらの双方に隣接する位置に配置される。

共振器３１Ｂ及び３１Ｃは、伝送器結合領域３４及び第１のアンテナ結合領域３５の間に配置されて、これらと電磁的に結合する。共振器３１Ｆ、３１Ｇ及び３１Ｈは、受信器結合領域３７と第２のアンテナ結合領域３６の間に配置されて、これらと電磁的に結合する。

パターン４０は、更に、頂部表面１４上に、コア１２の長さ方向に延在し、共振器パッド６０Ｆ、６０Ｇ及び６０Ｇに隣接する棒状ないし細片状の形の孤立した金属化された領域６１を含む。

非金属化された４４は、頂部表面１４及び側部表面１８の一部に存在する。実質的に、共振器バッド６０Ａ、６０Ｂ、６０Ｃ、６０Ｄ、６０Ｅ、６０Ｆ、６０Ｇ、６０Ｈ及び６０Ｉを取り囲む（区画する）。非金属化された領域４４は、さらに、伝送器結合領域３４，第１及び第２のアンテナ結合領域３５、３６、受信器結合領域３７及び細片形状の領域６１を取り囲む。

記述の簡略のため、デュープレクスフィルター１０は、スルーホール３３において２つの共振器３１のセクション、即ち伝送器セクション７２及び受信器セクション７４に分けることができる。伝送器セクション７２は、第１のアンテナ結合領域３５と端部２２の間に延在し、一方、受信器セクション７４は、第２のアンテナ結合領域３６と端部２４の間に反対方向に延在する。各セクションは、複数の共振器３１とそれぞれの入出力結合領域を含む。より詳細には、伝送器セクション７２は、伝送器結合領域３４を含み、受信器セクション７４は受信器結合領域３７を含む。

パターン４０の金属化された領域は、好ましくは、導電性金属の一以上の層の被覆を含む。現状では、銀含有導電層が好ましい。好ましい厚膜銀含有導電ペーストは、市場においてデュポン社のマイクロサーキットマテリアルズ部門から入手できる。

コア１２上の金属化及び非金属化された領域４０の表面層パターンは、好ましくは、スルーホールを含む誘電体材料の堅牢なコアを所定寸法に成形することにより準備される。外部表面及びスルーホールの内壁は、浸漬、スプレー又はメッキにより１以上の金属性フィルムにより被覆される。

金属化及び非金属化された領域のパターンは、その後、好ましくは、コア１２上の指定された領域のコンピュータにより自動化されたレーザーアブレーションにより完成される。レーザーアブレーションは、金属層及び誘電体材料の僅かな部分を除去するため、このレーザーアブレーションの手法により、金属被覆が除去されているだけではなく、コア１２の表面に凹陥した非金属化された領域が形成される。

或いは、全面が金属化されたコア前駆体の選択された表面を粉末ブラスティングなどの研磨力によって除去することで、１以上の非金属化された領域が形成される。金属化又は非金属化された領域は、その後、厚膜金属ペーストのパターン印刷により完成される。

本発明に従うフィルターには、随意的に、頂部表面１４に渡って配置される金属シールドが装備される。金属シールドの構成についての詳細は、バンガラへの米国特許第５７４５０１８を参照。フィルターは、例えば携帯電話におけるように、ＲＦ伝送器、受信器及びアンテナを含む印刷回路板に典型的にはレーザーにより半田付けされる。

アンテナデュープレクスフィルター２００の他の実施形態が図３、４に示されている。ＲＦフィルター２００は、第１及び第２のアンテナ結合領域２３５及び２３６がコア２１２の表面の金属被覆により電気的に連結されていない点を除いてＲＦフィルター１０に類似している。第１アンテナ結合領域２３５は側部２１８に表面実装パッド２３５Ａを有し、頂部表面２１４に延長部２３５Ｂを有する。第２アンテナ結合領域２３６は、同様に、表面実装パッド２３６Ａと頂部表面２１４上の延長部２３６Ｂを有する。表面実装パッド２３５Ａ及び２３６Ａは、好ましくは、回路基板又は他のホスト電子デバイスの基板上のアンテナに電気的に相互接続され、連結される。或いは、パッド２３５Ａ及び２３６Ａは、個々に別々のアンテナに接続されても良い。フィルター２００の他の構成は、上記したフィルター１０と実質的に同様である。

＜実施例＞
下記表１に記述される設計パラメータをもって、図１、２に示す実施形態に従うフィルターの試験を行った。

実施例のフィルターは、アプライドウェーブ研究所（カリフォルニア州エルセグンド）のマイクロウェーブオフィスを用いて試験された。図５は、伝送セクションの試験からのＳ２１タイプの散乱係数（Scattering Parameter）の結果である。フィルターは、必要とされる伝送周波数帯域において約３．３ｄＢの最大挿入損失を示している。図６は、受信セクションの試験からのＳ２１タイプの散乱係数の結果である。フィルターは、要望される受信周波数帯域において約４．６ｄＢの最大挿入損失を示している。

Ｓパラメータは、特定の部品接続点において反射され、伝送された伝搬波の比率である。Ｓ_２１のデータ点又はプロットは、挿入損失の測定結果であり、一つの又はある範囲の入力信号周波数における、入力接続での入力信号に対する出力接続における出力信号の比率である。分散パラメーター及び関連する試験標準及び装置の議論については、Anderson, Richard W. "S-Parameter Techniques for Faster, More Accurate Network Design," Hewlett-Packard Journal, vol. 18, no. 6, February 1967、Weinert, "Scattering Parameters Speed Design of High Frequency Transistor Circuits," Electronics, vol. 39,no. 18, Sept. 5, 1986、或いはBodway, "Two port Power Flow Analysis Using Generalized Scattering Parameters," Microwave Journal, vol. 10, no. 6, May 1967を参照されたい。

試験されたデュープレクサーは、ターゲットの周波数での減衰に顕著な改善を示し、伝送及び受信通過帯域では僅かな信号損失を示した。これにより、停止帯域へのシャープな遷移とともに通過帯域における最大挿入損失が小さい、より低いプロファイルのＲＦフィルターが提供される。

上記した実施例の数多くの変形例、改変例が本発明の新規な特徴の精神及び範囲を逸脱することなく実現される。本明細書に記述された特定のシステムについてのいかなる限定も意図されておらず、示唆されていないことに留意されるべきである。勿論、添付の特許請求の範囲の範囲に包含される全てのそのような改変例が添付の特許請求の範囲によりカバーされることが意図されている。

図１は、本発明に従うデュープレクスフィルターの拡大斜視図である。 図２は、図１のフィルターの頂部表面の拡大図である。 図３は、デュープレクスフィルターの多の実施形態の拡大斜視図である。 図４は、図３のフィルターの頂部表面の拡大図である。 図５は、図１のデュープレクスフィルターの伝送通過帯域についての周波数に対する挿入損失のグラフである。 図６は、図１のデュープレクスフィルターの受信通過帯域についての周波数に対する挿入損失のグラフである。

Claims (4)

1. 第１の端部、第２の端部、頂部表面、底部表面を有し、それぞれが前記頂部表面の開口から前記底部表面の開口の間に延在する複数のスルーホールを規定する誘電体材料のコアと、
   前記コア上の複数の金属化された領域とを備える通信信号フィルターであって、
   前記複数の金属化された領域は、
   受信器結合領域と、
   前記第１の端部と前記第２の端部との間の前記コアの長さに沿って前記受信器結合領域から離間された伝送器結合領域と、
   前記受信器結合領域と前記伝送器結合領域の間に位置する第１のアンテナ結合領域と、
   前記受信器結合領域と前記伝送器結合領域の間に位置する第２のアンテナ結合領域と、
   前記フィルタの前記コアの前記頂部表面に延びる比較的広範な金属化された領域とを含み、
   前記複数のスルーホールの少なくとも一つが前記第１、第２のアンテナ結合領域の間に位置してトラップ共振器を規定し、
   デカップラーが前記第１、第２のアンテナ結合領域の間に配置され、
   前記トラップ共振器が前記デカップラーと前記第１のアンテナ結合領域の間、又は、前記デカップラーと前記第２のアンテナ結合領域の間に位置し、
   前記デカップラーは前記複数のスルーホールの他の一のスルーホールにより規定され、
   前記デカップラーを規定する前記他の一のスルーホールが、前記頂部表面及び前記底部表面の双方において前記比較的広範な金属化された領域に導電的に接続される金属化された側壁を有することを特徴とする通信信号フィルター。
2. 前記複数のスルーホールの少なくとも一つが前記ブロックの前記第２の端部と前記受信器結合領域の間に配置されてトラップ共振器を規定することを特徴とする請求項１に記載のフィルター。
3. ４つのトラップ共振器を有することを特徴とする請求項１に記載のフィルター。
4. 通信フィルターであって、
   前記フィルターを貫通して対向する頂部表面と底部表面の間に延在する金属化された第１の組のスルーホールと金属化されたパターンを有し、第１、第２の端部と中央部分とを有する単一ブロックに形成された複数の同軸の共振器を含み、
   前記中央部分の第１、第２のアンテナ結合金属化領域と、
   前記第１、第２のアンテナ結合領域の間に位置し、前記フィルターの前記頂部表面と前記底部表面の間に延在する第２の金属化されたスルーホールにより形成されるデカップラーと、
   前記中央部分の前記第１、第２のアンテナ結合領域の間に位置し、前記フィルターの前記頂部表面と前記底部表面の間に延在するそれぞれ第３及び第４の金属化されたスルーホールにより形成される第１、第２のトラップ共振器とを有し、
   前記第１、第２のトラップ共振器が前記デカップラーの両側に位置し、前記第１、第２のアンテナ結合金属化領域が前記第１、第２のトラップ共振器の両側に位置することを特徴とする通信フィルター。

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