JP4436534B2 - 分布定数フィルタ - Google Patents
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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、構造を簡素化して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、あるいは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３（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４に示す。図４（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４（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】
また、このλ／４結合マイクロストリップ線路の多段接続による多共振器フィルタは通常、直線状のマイクロストリップ線路で構成されるが、これをアレンジし、マイクロストリップ線路共振器をヘアピン状線路といわれる折り曲げたマイクロストリップ線路で構成する構造とした、いわゆるヘアピン形多共振器フィルタも用いられている。例として、図５（ａ）に直線状マイクロストリップ線路から成るマイクロストリップ線路共振器を４個順次結合させて構成した直線形多共振器フィルタの構成例を、また図５（ｂ）にヘアピン状マイクロストリップ線路から成るマイクロストリップ線路共振器を４個順次結合させて構成した同様のヘアピン形多共振器フィルタの構成例を、それぞれ平面図で示す。
【００１１】
しかしながら、このようなヘアピン形多共振器フィルタにおいても、上記と同様の問題があった。
【００１２】
これに対し、本発明は特願2000−24759号および特願2000−24760号において、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順次、縦続接続して形成した多段のマイクロストリップ線路共振器から成る分布定数フィルタを提案した。これらの分布定数フィルタは、飛び越し結合回路を接続することを想定した、伝送特性の位相を正確に合わせる共振器の順次結合法を適用するものであり、順次結合している共振器に飛び越し結合回路を加えれば、減衰極を作ったり、振幅特性や群遅延時間の制御が実現可能となるものである。
【００１３】
しかし、これらの分布定数フィルタには、同一平面状に配置された順次結合しているマイクロストリップライン共振器に対し如何にして飛び越し結合回路を接続させるかという点に関して改善すべき課題を有していた。すなわち、目的の特性制御を行なうための飛び越し結合回路を接続するには、飛び越し結合させる共振器の数は４以上の偶数であることが必要なことから、同一平面上に配置された１／４波長結合マイクロストリップ線路あるいはその変形であるヘアピン状の１／４波長結合マイクロストリップ線路に対してこの飛び越し結合を実現しようとすると、例えば図６（ａ）〜（ｄ）にそれぞれフィルタの構成例を平面図で示すように、飛び越し結合回路が必ず共振器パターンと交差してしまうこととなり、これを避けるには飛び越し結合回路に３次元的な構造、例えば共振器パターンの上の空間を通るようなブリッジ構造が必要となるため、分布定数フィルタが有する平面回路としての長所が損なわれるという欠点を招来することとなっていた。
【００１４】
図６（ａ）および（ｂ）に示すフィルタでは、４個の直線形結合マイクロストリップ線路共振器の第１の共振器と第４の共振器を、それぞれの共振器と結合している外部回路接続用の端子を介して、あるいは直接に飛び越し結合回路と接続している。図６（ｃ）および（ｄ）に示すフィルタでは、同じく４個のヘアピン状結合マイクロストリップ線路共振器の第１の共振器と第４の共振器を、それぞれの共振器と結合している外部回路接続用の端子を介して、あるいは直接に飛び越し結合回路と接続している。これらのどの例においても、飛び越し結合回路は第１〜４の共振器のいずれかと交差してしまい、接続するためには３次元的な迂回構造が必要であるという改善すべき点があった。
【００１５】
このように、同一平面上に構成された順次結合され接続されている４個以上の偶数個のマイクロストリップ線路共振器から成る分布定数フィルタに飛び越し結合回路を接続するには、飛び越し結合回路が共振器のいずれかと交差するため３次元的な迂回構造が必要であったが、分布定数フィルタにおいて２次元構造のみで設計値通りの飛び越し結合を実現できれば、単純な平面構造のフィルタで減衰極を作ったり、振幅特性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する帯域通過フィルタを、正確な設計手法により設計して簡単な回路で構成して実現することができるという実用上極めて優れたものとなる。そのため、同一平面上で３次元的な構造を加えることなく飛び越し結合回路の接続を実現して、平面構造の分布定数フィルタの特長を損なわずに実現および製造が容易な分布定数フィルタを得ることが望まれていた。
【００１６】
本発明は上記の課題を解決すべく案出されたものであり、その目的は、同一平面上で３次元的な構造を加えることなく飛び越し結合回路の接続を実現して、平面構造の分布定数フィルタの特長を損なわずに、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できるとともに、低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。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
本発明による分布定数フィルタは、実根のペアまたは虚根のペアを持つ複素周波数ｓの偶多項式である分子有理多項式と複素周波数ｓのフルビッツ多項式である分母有理多項式とからなる回路網関数で伝達関数が表された基準化低域通過フィルタを周波数変換および等価変換することによって得られ、不平衡分布定数回路で実現された、帯域通過型特性を有する分布定数フィルタを基本とするものである。
【００１８】
すなわち、本発明の分布定数フィルタは、直線状およびヘアピン状のマイクロストリップ線路を含んで成る、通過帯域の中心周波数に対応する１／２波長マイクロストリップ線路共振器をｎ（ｎは４以上の偶数）個、それぞれ隣接する共振器間で略１／４波長結合させて順次接続して成るとともに、ヘアピン状のマイクロストリップ線路共振器が２個隣接して接続される場合は、開口部が互いに異なる向きとなるように接続され、前記直線状のマイクロストリップ線路の個数および前記ヘアピン状のマイクロストリップ線路の個数をそれぞれ奇数とすることで、第１番目の前記１／２波長マイクロストリップ線路共振器の入力側ポートと第ｎ番目の前記１／２波長マイクロストリップ線路共振器の出力側ポートとを飛び越し結合回路で結んだときに、結合した共振器と交差しないように配置し、前記第１番目の１／２波長マイクロストリップ線路共振器の入力側ポートと前記第ｎ番目の１／２波長マイクロストリップ線路共振器の出力側ポートとの間に前記飛び越し結合回路を接続したことを特徴とする。また、本発明の分派定数フィルタは、直線状およびヘアピン状のマイクロストリップ線路を含んで成る、通過帯域の中心周波数に対応する１／２波長マイクロストリップ線路共振器をｎ（ｎは４以上の偶数）個、それぞれ隣接する共振器間で略１／４波長結合させて順次接続し、第１番目および第ｎ番目の前記１／２波長マイクロストリップ線路共振器に外部回路接続用の直線状１／４波長マイクロストリップ線路を結合させて成るとともに、ヘアピン状のマイクロストリップ線路共振器が２個隣接して接続される場合は、開口部が互いに異なる向きとなるように接続され、前記直線状のマイクロストリップ線路の個数および前記ヘアピン状のマイクロストリップ線路の個数をそれぞれ奇数とすることで、第１番目および第ｎ番目の前記１／２波長マイクロストリップ線路共振器の前記直線状１／４波長マイクロストリップ線路と結合している側の端部を、前記直線状１／４波長マイクロストリップ線路間を飛び越し結合回路で結んだときに、結合した共振器と交差しないように配置し、前記直線状１／４波長マイクロストリップ線路間に飛び越し結合回路を接続したことを特徴とする。
【００１９】
また、本発明の分布定数フィルタは、上記構成において、前記１／２波長マイクロストリップ線路共振器の少なくとも１個を１波長マイクロストリップ線路共振器に置き換えたことを特徴とするものである。
【００２０】
【発明の実施の形態】
本発明の分布定数フィルタによれば、直線状またはヘアピン状のｎ個の１／２波長マイクロストリップ線路共振器をそれぞれ隣接する共振器間で略１／４波長結合させて順次接続し、直線状およびヘアピン状のマイクロストリップ線路の個数をそれぞれ奇数とするとともに第１番目および第ｎ番目の１／２波長マイクロストリップ線路共振器に外部回路接続用の直線状の約１／４波長のマイクロストリップ線路を結合させ、かつ第１番目および第ｎ番目の１／２波長マイクロストリップ線路共振器の直線状１／４波長マイクロストリップ線路と結合している側の端部間または直線状１／４波長マイクロストリップ線路間に飛び越し結合回路を接続したことから、同一平面上で３次元的な構造を加えることなく飛び越し結合回路の接続を実現することができ、前記分子有理多項式の根、すなわち伝送零点を実現することができる。
【００２１】
また、ｎ個の共振器による多共振器型の帯域通過型フィルタ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加えることで、所望の減衰極を作ったり、振幅特性や群遅延時間の補正が可能となる。さらに、飛び越し結合回路により共振器間の伝送特性の位相を制御することで、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、振幅特性や群遅延時間の補正ができ、所望特性の分布定数フィルタ実現が容易となる。
【００２２】
さらに、ｎが６以上の場合には、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することができる。
【００２３】
その結果、平面構造の分布定数フィルタの特長を損なわずに、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できるとともに、低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。
【００２４】
また、本発明の分布定数フィルタによれば、上記構成において、１／２波長マイクロストリップ線路共振器の少なくとも１個を１波長マイクロストリップ線路共振器に置き換えた場合には、多共振器型フィルタの伝送特性の位相を反転制御する作用効果を実現できるため、正確に設計通りの飛び越し結合回路を付加することができる。
【００２５】
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、伝達特性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同一平面上で３次元的な構造を加えることなく構成し実現することができる。
【００２６】
なお、以下の説明では、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。
【００２７】
【数１】
【００２８】
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。
【００２９】
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。
【００３０】
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７に回路図で示す。
【００３１】
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。
【００３２】
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８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８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。
【００３３】
図８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８の点線で囲まれた部分を図９（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９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９の等価変換を図８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10に回路図で示す。
【００３４】
さらに、図10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11に示す。
【００３５】
図11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。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。
【００３６】
なお、虚ジャイレータの符号を考慮すると、図12（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。
【００３７】
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13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。
【００３８】
図13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。
【００３９】
このように、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ることにより、右半分の回路と左半分の回路とは同様の回路で構成できるため、飛び越し結合部を同じ構造の回路とすることができ、回路実現が容易となる。すなわち、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、電界結合または磁界結合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。このようにして、順次結合の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フィルタの伝送特性の位相を制御することができる。
次に、図13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。
【００４０】
ここで、図14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。ここで、Ｚc,jとｋi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。
【００４１】
【数２】
【００４２】
一方、このＦマトリクスに対する等価回路の例として、図15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15に示す回路のＦマトリクスは、数３に示すものとなる。
【００４３】
【数３】
【００４４】
次に、基準化低域通過フィルタにおいてｙi＝ｊω・ｐi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11の並列容量を図13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に示される結合係数・特性インピーダンスが定まる。
【００４５】
【数４】
【００４６】
【数５】
【００４７】
すなわち、虚ジャイレータとその両端にパラレルに接続された並列共振の共振器を含む回路は、近似的にλ／４結合マイクロストリップラインと等価となる。
【００４８】
この近似を用い、４個の１／２波長マイクロストリップ線路共振器を順次接続して、第１番目および第４番目の１／２波長マイクロストリップ線路共振器に外部回路接続用の直線状１／４波長マイクロストリップ線路を結合させ、かつ第１番目および第４番目の１／２波長マイクロストリップ線路共振器の直線状１／４波長マイクロストリップ線路と結合している側の端部間または直線状１／４波長マイクロストリップ線路間に飛び越し結合回路を接続して構成した、本発明の分布定数フィルタの実施の形態の例を図１（ａ）〜（ｄ）にそれぞれ平面図で示す。
【００４９】
なお、これらの実施例では、折り曲げたヘアピン状のストリップ線路共振器も使用しており、このパラメータの導出は、きれいな解析的な表現ができないものであるが基本的には数４および数５を変形することで行なうことができる。ここではその導出の詳細は省略する。
【００５０】
そして、図13に示される等価回路の中心の虚ジャイレータを含む右半分の回路は、４個の１／２波長マイクロストリップ線路共振器で構成される多共振器帯域通過型フィルタとなる。これを図14に示すようなλ／４結合マイクロストリップ線路で順次接続して構成した例が、図１（ａ）〜（ｄ）にそれぞれ平面図で示す本発明の分布定数フィルタの実施の形態の例である。
【００５１】
図１（ａ）は、直線状マイクロストリップ線路から成る３個の１／２波長マイクロストリップ線路共振器Ｌと、ヘアピン状マイクロストリップ線路から成る１個の１／２波長マイクロストリップ線路共振器Ｈとを順次接続し、第１番目と第４番目の１／２波長マイクロストリップ線路共振器Ｌに外部回路接続用の直線状１／４波長マイクロストリップ線路Ｍを結合させ、この直線状１／４波長マイクロストリップ線路Ｍ間に飛び越し結合回路Ｃを接続した例である。
【００５２】
図１（ｂ）は、直線状マイクロストリップ線路から成る３個の共振器Ｌと、ヘアピン状マイクロストリップ線路から成る１個の共振器Ｈとを順次接続し、第１番目と第４番目の共振器Ｌに直線状１／４波長マイクロストリップ線路を結合させ、第１番目と第４番目の共振器Ｌの直線状１／４波長マイクロストリップ線路Ｍと結合している側の端部間に飛び越し結合回路Ｃを接続した例である。
【００５３】
図１（ｃ）は、直線状マイクロストリップ線路から成る１個の１／２波長マイクロストリップ線路共振器Ｌと、ヘアピン状マイクロストリップ線路から成る３個の１／２波長マイクロストリップ線路共振器Ｈとを順次接続し、第１番目と第４番目の共振器Ｈに外部回路接続用の直線状１／４波長マイクロストリップ線路Ｍを結合させ、この直線状１／４波長マイクロストリップ線路Ｍ間に飛び越し結合回路Ｃを接続した例である。
【００５４】
図１（ｄ）は、直線状マイクロストリップ線路から成る１個の共振器Ｌと、ヘアピン状マイクロストリップ線路から成る３個の共振器Ｈとを順次接続し、第１番目と第４番目の共振器Ｈに直線状１／４波長マイクロストリップ線路Ｍを結合させ、第１番目と第４番目の共振器Ｈの直線状１／４波長マイクロストリップ線路Ｍと結合している側の端部間に飛び越し結合回路Ｃを接続した例である。
【００５５】
これら本発明の分布定数フィルタの構成例から分かるように、飛び越し結合回路Ｃは、共振器と交差することなく目的のポートに接続することができ、２次元の平面回路構造のままで帯域通過フィルタを実現することができる。
【００５６】
次に、これら図１（ａ）〜（ｄ）に示した本発明の分布定数フィルタの例に対し、その１／２波長マイクロストリップ線路共振器の１個を１／２波長の移相器を付加して１波長マイクロストリップ線路共振器に置き換えた例が、図２（ａ）〜（ｄ）にそれぞれ同様の平面図で示す本発明の分布定数フィルタの実施の形態の例である。これらは、図13に示される等価回路の中心の虚ジャイレータを含む左半分の回路に相当するものとなる。
【００５７】
図２（ａ）〜（ｄ）は、いずれも図１（ａ）〜（ｄ）に示した例に対して、ヘアピン状マイクロストリップ線路から成る１／２波長マイクロストリップ線路共振器Ｈの１個を同じくヘアピン状の１波長マイクロストリップ線路共振器Ｈ’に置き換えた例である。
【００５８】
このように１／２波長マイクロストリップ線路共振器の少なくとも１個を１波長マイクロストリップ線路共振器に置き換えることにより、順次結合している多共振器型フィルタの伝送特性の位相を反転制御する作用効果を実現できるため、正確に設計通りの飛び越し結合回路を付加することができる。
【００５９】
なお、このように１／２波長マイクロストリップ線路共振器の少なくとも１個を１波長マイクロストリップ線路共振器に置き換える場合、この１波長マイクロストリップ線路共振器は１／２波長マイクロストリップ線路共振器に１／２波長の移相器を付加したものとして機能することから、この置き換える共振器の個数は奇数個とすることが好ましい。
【００６０】
以上の図１（ａ）〜（ｄ）に示した各分布定数フィルタと図２（ａ）〜（ｄ）に示した各分布定数フィルタとは、それぞれ伝達関数である回路網関数ｓ21の分子多項式の実軸上の零点と虚軸上の零点を含む回路に相当する回路部となる。そして、これら図１（ａ）〜（ｄ）の回路と図２（ａ）〜（ｄ）の回路とを縦続接続することで、図13に等価回路で示した帯域通過型フィルタを同一平面上の平面回路として実現することができる。
【００６１】
【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、直線状またはヘアピン状のｎ個の１／２波長マイクロストリップ線路共振器をそれぞれ隣接する共振器間で略１／４波長結合させて順次接続し、直線状およびヘアピン状のマイクロストリップ線路の個数をそれぞれ奇数とするとともに第１番目および第ｎ番目の１／２波長マイクロストリップ線路共振器に外部回路接続用の直線状１／４波長マイクロストリップ線路を結合させ、かつ第１番目および第ｎ番目の１／２波長マイクロストリップ線路共振器の直線状１／４波長マイクロストリップ線路と結合している側の端部間または直線状１／４波長マイクロストリップ線路間に飛び越し結合回路を接続したことから、同一平面上で３次元的な構造を加えることなく飛び越し結合回路の接続を実現することができ、フィルタの伝送特性に伝送零点を加えることができる。
【００６２】
また、ｎ個の共振器による多共振器型の帯域通過型フィルタ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加えることで、所望の減衰極を作ったり、振幅特性や群遅延時間の補正が可能となる。さらに、飛び越し結合回路により共振器間の伝送特性の位相を制御することで、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、振幅特性や群遅延時間の補正ができ、所望特性の分布定数フィルタ実現が容易となる。
【００６３】
また、本発明の分布定数フィルタによれば、上記構成において、１／２波長マイクロストリップ線路共振器の少なくとも１個を１波長マイクロストリップ線路共振器に置き換えた場合には、順次結合している多共振器型フィルタの伝送特性の位相を反転制御する作用効果を実現できるため、正確に設計通りの飛び越し結合回路を付加することができる。
【００６４】
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、伝達特性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同一平面上で３次元的な構造を加えることなく構成し実現することができる。
【００６５】
そして、共振器間の結合・接続に飛び越し結合を加えて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ほぼ同じ構成で実現できる。その結果、簡単な構造の回路構成で通過域で振幅群遅延同時平坦特性、阻止域で伝送零点（減衰極）を有する帯域通過フィルタを実現することができる。
【００６６】
以上のように、本発明によれば、平面構造の分布定数フィルタの特長を損なわずに、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できるとともに、低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た。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）〜（ｄ）は、それぞれ本発明の分布定数フィルタの実施の形態の例を示す平面図である。
【図２】（ａ）〜（ｄ）は、それぞれ本発明の分布定数フィルタの実施の形態の例を示す平面図である。
【図３】（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４】（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５】（ａ）および（ｂ）は、それぞれ直線形多共振器フィルタおよびヘアピン形多共振器フィルタの構成例を示す平面図である。
【図６】（ａ）〜（ｄ）は、それぞれ飛び越し結合を含む直線形多共振器フィルタおよびヘアピン形多共振器フィルタの構成例を示す平面図である。
【図７】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８】図７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９】（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１０】図８に示す回路を図９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１１】図10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１２】（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１３】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１４】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１５】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。
【符号の説明】
Ｌ・・・直線状のマイクロストリップ線路から成る１／２波長マイクロストリップ線路共振器Ｈ・・・ヘアピン状のマイクロストリップ線路から成る１／２波長マイクロストリップ線路共振器Ｈ’・・ヘアピン状のマイクロストリップ線路から成る１波長マイクロストリップ線路共振器Ｍ・・・直線状１／４波長マイクロストリップ線路Ｃ・・・飛び越し結合回路
【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、構造を簡素化して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、あるいは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３（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４に示す。図４（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４（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】
また、このλ／４結合マイクロストリップ線路の多段接続による多共振器フィルタは通常、直線状のマイクロストリップ線路で構成されるが、これをアレンジし、マイクロストリップ線路共振器をヘアピン状線路といわれる折り曲げたマイクロストリップ線路で構成する構造とした、いわゆるヘアピン形多共振器フィルタも用いられている。例として、図５（ａ）に直線状マイクロストリップ線路から成るマイクロストリップ線路共振器を４個順次結合させて構成した直線形多共振器フィルタの構成例を、また図５（ｂ）にヘアピン状マイクロストリップ線路から成るマイクロストリップ線路共振器を４個順次結合させて構成した同様のヘアピン形多共振器フィルタの構成例を、それぞれ平面図で示す。
【００１１】
しかしながら、このようなヘアピン形多共振器フィルタにおいても、上記と同様の問題があった。
【００１２】
これに対し、本発明は特願2000−24759号および特願2000−24760号において、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順次、縦続接続して形成した多段のマイクロストリップ線路共振器から成る分布定数フィルタを提案した。これらの分布定数フィルタは、飛び越し結合回路を接続することを想定した、伝送特性の位相を正確に合わせる共振器の順次結合法を適用するものであり、順次結合している共振器に飛び越し結合回路を加えれば、減衰極を作ったり、振幅特性や群遅延時間の制御が実現可能となるものである。
【００１３】
しかし、これらの分布定数フィルタには、同一平面状に配置された順次結合しているマイクロストリップライン共振器に対し如何にして飛び越し結合回路を接続させるかという点に関して改善すべき課題を有していた。すなわち、目的の特性制御を行なうための飛び越し結合回路を接続するには、飛び越し結合させる共振器の数は４以上の偶数であることが必要なことから、同一平面上に配置された１／４波長結合マイクロストリップ線路あるいはその変形であるヘアピン状の１／４波長結合マイクロストリップ線路に対してこの飛び越し結合を実現しようとすると、例えば図６（ａ）〜（ｄ）にそれぞれフィルタの構成例を平面図で示すように、飛び越し結合回路が必ず共振器パターンと交差してしまうこととなり、これを避けるには飛び越し結合回路に３次元的な構造、例えば共振器パターンの上の空間を通るようなブリッジ構造が必要となるため、分布定数フィルタが有する平面回路としての長所が損なわれるという欠点を招来することとなっていた。
【００１４】
図６（ａ）および（ｂ）に示すフィルタでは、４個の直線形結合マイクロストリップ線路共振器の第１の共振器と第４の共振器を、それぞれの共振器と結合している外部回路接続用の端子を介して、あるいは直接に飛び越し結合回路と接続している。図６（ｃ）および（ｄ）に示すフィルタでは、同じく４個のヘアピン状結合マイクロストリップ線路共振器の第１の共振器と第４の共振器を、それぞれの共振器と結合している外部回路接続用の端子を介して、あるいは直接に飛び越し結合回路と接続している。これらのどの例においても、飛び越し結合回路は第１〜４の共振器のいずれかと交差してしまい、接続するためには３次元的な迂回構造が必要であるという改善すべき点があった。
【００１５】
このように、同一平面上に構成された順次結合され接続されている４個以上の偶数個のマイクロストリップ線路共振器から成る分布定数フィルタに飛び越し結合回路を接続するには、飛び越し結合回路が共振器のいずれかと交差するため３次元的な迂回構造が必要であったが、分布定数フィルタにおいて２次元構造のみで設計値通りの飛び越し結合を実現できれば、単純な平面構造のフィルタで減衰極を作ったり、振幅特性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する帯域通過フィルタを、正確な設計手法により設計して簡単な回路で構成して実現することができるという実用上極めて優れたものとなる。そのため、同一平面上で３次元的な構造を加えることなく飛び越し結合回路の接続を実現して、平面構造の分布定数フィルタの特長を損なわずに実現および製造が容易な分布定数フィルタを得ることが望まれていた。
【００１６】
本発明は上記の課題を解決すべく案出されたものであり、その目的は、同一平面上で３次元的な構造を加えることなく飛び越し結合回路の接続を実現して、平面構造の分布定数フィルタの特長を損なわずに、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できるとともに、低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。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
本発明による分布定数フィルタは、実根のペアまたは虚根のペアを持つ複素周波数ｓの偶多項式である分子有理多項式と複素周波数ｓのフルビッツ多項式である分母有理多項式とからなる回路網関数で伝達関数が表された基準化低域通過フィルタを周波数変換および等価変換することによって得られ、不平衡分布定数回路で実現された、帯域通過型特性を有する分布定数フィルタを基本とするものである。
【００１８】
すなわち、本発明の分布定数フィルタは、直線状およびヘアピン状のマイクロストリップ線路を含んで成る、通過帯域の中心周波数に対応する１／２波長マイクロストリップ線路共振器をｎ（ｎは４以上の偶数）個、それぞれ隣接する共振器間で略１／４波長結合させて順次接続して成るとともに、ヘアピン状のマイクロストリップ線路共振器が２個隣接して接続される場合は、開口部が互いに異なる向きとなるように接続され、前記直線状のマイクロストリップ線路の個数および前記ヘアピン状のマイクロストリップ線路の個数をそれぞれ奇数とすることで、第１番目の前記１／２波長マイクロストリップ線路共振器の入力側ポートと第ｎ番目の前記１／２波長マイクロストリップ線路共振器の出力側ポートとを飛び越し結合回路で結んだときに、結合した共振器と交差しないように配置し、前記第１番目の１／２波長マイクロストリップ線路共振器の入力側ポートと前記第ｎ番目の１／２波長マイクロストリップ線路共振器の出力側ポートとの間に前記飛び越し結合回路を接続したことを特徴とする。また、本発明の分派定数フィルタは、直線状およびヘアピン状のマイクロストリップ線路を含んで成る、通過帯域の中心周波数に対応する１／２波長マイクロストリップ線路共振器をｎ（ｎは４以上の偶数）個、それぞれ隣接する共振器間で略１／４波長結合させて順次接続し、第１番目および第ｎ番目の前記１／２波長マイクロストリップ線路共振器に外部回路接続用の直線状１／４波長マイクロストリップ線路を結合させて成るとともに、ヘアピン状のマイクロストリップ線路共振器が２個隣接して接続される場合は、開口部が互いに異なる向きとなるように接続され、前記直線状のマイクロストリップ線路の個数および前記ヘアピン状のマイクロストリップ線路の個数をそれぞれ奇数とすることで、第１番目および第ｎ番目の前記１／２波長マイクロストリップ線路共振器の前記直線状１／４波長マイクロストリップ線路と結合している側の端部を、前記直線状１／４波長マイクロストリップ線路間を飛び越し結合回路で結んだときに、結合した共振器と交差しないように配置し、前記直線状１／４波長マイクロストリップ線路間に飛び越し結合回路を接続したことを特徴とする。
【００１９】
また、本発明の分布定数フィルタは、上記構成において、前記１／２波長マイクロストリップ線路共振器の少なくとも１個を１波長マイクロストリップ線路共振器に置き換えたことを特徴とするものである。
【００２０】
【発明の実施の形態】
本発明の分布定数フィルタによれば、直線状またはヘアピン状のｎ個の１／２波長マイクロストリップ線路共振器をそれぞれ隣接する共振器間で略１／４波長結合させて順次接続し、直線状およびヘアピン状のマイクロストリップ線路の個数をそれぞれ奇数とするとともに第１番目および第ｎ番目の１／２波長マイクロストリップ線路共振器に外部回路接続用の直線状の約１／４波長のマイクロストリップ線路を結合させ、かつ第１番目および第ｎ番目の１／２波長マイクロストリップ線路共振器の直線状１／４波長マイクロストリップ線路と結合している側の端部間または直線状１／４波長マイクロストリップ線路間に飛び越し結合回路を接続したことから、同一平面上で３次元的な構造を加えることなく飛び越し結合回路の接続を実現することができ、前記分子有理多項式の根、すなわち伝送零点を実現することができる。
【００２１】
また、ｎ個の共振器による多共振器型の帯域通過型フィルタ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加えることで、所望の減衰極を作ったり、振幅特性や群遅延時間の補正が可能となる。さらに、飛び越し結合回路により共振器間の伝送特性の位相を制御することで、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、振幅特性や群遅延時間の補正ができ、所望特性の分布定数フィルタ実現が容易となる。
【００２２】
さらに、ｎが６以上の場合には、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することができる。
【００２３】
その結果、平面構造の分布定数フィルタの特長を損なわずに、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できるとともに、低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。
【００２４】
また、本発明の分布定数フィルタによれば、上記構成において、１／２波長マイクロストリップ線路共振器の少なくとも１個を１波長マイクロストリップ線路共振器に置き換えた場合には、多共振器型フィルタの伝送特性の位相を反転制御する作用効果を実現できるため、正確に設計通りの飛び越し結合回路を付加することができる。
【００２５】
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、伝達特性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同一平面上で３次元的な構造を加えることなく構成し実現することができる。
【００２６】
なお、以下の説明では、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。
【００２７】
【数１】
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。
【００２９】
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。
【００３０】
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７に回路図で示す。
【００３１】
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。
【００３２】
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８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８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。
【００３３】
図８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８の点線で囲まれた部分を図９（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９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９の等価変換を図８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10に回路図で示す。
【００３４】
さらに、図10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11に示す。
【００３５】
図11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。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。
【００３６】
なお、虚ジャイレータの符号を考慮すると、図12（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。
【００３７】
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13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。
【００３８】
図13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。
【００３９】
このように、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ることにより、右半分の回路と左半分の回路とは同様の回路で構成できるため、飛び越し結合部を同じ構造の回路とすることができ、回路実現が容易となる。すなわち、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、電界結合または磁界結合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。このようにして、順次結合の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フィルタの伝送特性の位相を制御することができる。
次に、図13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。
【００４０】
ここで、図14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。ここで、Ｚc,jとｋi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。
【００４１】
【数２】
一方、このＦマトリクスに対する等価回路の例として、図15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15に示す回路のＦマトリクスは、数３に示すものとなる。
【００４３】
【数３】
次に、基準化低域通過フィルタにおいてｙi＝ｊω・ｐi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11の並列容量を図13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に示される結合係数・特性インピーダンスが定まる。
【００４５】
【数４】
【数５】
すなわち、虚ジャイレータとその両端にパラレルに接続された並列共振の共振器を含む回路は、近似的にλ／４結合マイクロストリップラインと等価となる。
【００４８】
この近似を用い、４個の１／２波長マイクロストリップ線路共振器を順次接続して、第１番目および第４番目の１／２波長マイクロストリップ線路共振器に外部回路接続用の直線状１／４波長マイクロストリップ線路を結合させ、かつ第１番目および第４番目の１／２波長マイクロストリップ線路共振器の直線状１／４波長マイクロストリップ線路と結合している側の端部間または直線状１／４波長マイクロストリップ線路間に飛び越し結合回路を接続して構成した、本発明の分布定数フィルタの実施の形態の例を図１（ａ）〜（ｄ）にそれぞれ平面図で示す。
【００４９】
なお、これらの実施例では、折り曲げたヘアピン状のストリップ線路共振器も使用しており、このパラメータの導出は、きれいな解析的な表現ができないものであるが基本的には数４および数５を変形することで行なうことができる。ここではその導出の詳細は省略する。
【００５０】
そして、図13に示される等価回路の中心の虚ジャイレータを含む右半分の回路は、４個の１／２波長マイクロストリップ線路共振器で構成される多共振器帯域通過型フィルタとなる。これを図14に示すようなλ／４結合マイクロストリップ線路で順次接続して構成した例が、図１（ａ）〜（ｄ）にそれぞれ平面図で示す本発明の分布定数フィルタの実施の形態の例である。
【００５１】
図１（ａ）は、直線状マイクロストリップ線路から成る３個の１／２波長マイクロストリップ線路共振器Ｌと、ヘアピン状マイクロストリップ線路から成る１個の１／２波長マイクロストリップ線路共振器Ｈとを順次接続し、第１番目と第４番目の１／２波長マイクロストリップ線路共振器Ｌに外部回路接続用の直線状１／４波長マイクロストリップ線路Ｍを結合させ、この直線状１／４波長マイクロストリップ線路Ｍ間に飛び越し結合回路Ｃを接続した例である。
【００５２】
図１（ｂ）は、直線状マイクロストリップ線路から成る３個の共振器Ｌと、ヘアピン状マイクロストリップ線路から成る１個の共振器Ｈとを順次接続し、第１番目と第４番目の共振器Ｌに直線状１／４波長マイクロストリップ線路を結合させ、第１番目と第４番目の共振器Ｌの直線状１／４波長マイクロストリップ線路Ｍと結合している側の端部間に飛び越し結合回路Ｃを接続した例である。
【００５３】
図１（ｃ）は、直線状マイクロストリップ線路から成る１個の１／２波長マイクロストリップ線路共振器Ｌと、ヘアピン状マイクロストリップ線路から成る３個の１／２波長マイクロストリップ線路共振器Ｈとを順次接続し、第１番目と第４番目の共振器Ｈに外部回路接続用の直線状１／４波長マイクロストリップ線路Ｍを結合させ、この直線状１／４波長マイクロストリップ線路Ｍ間に飛び越し結合回路Ｃを接続した例である。
【００５４】
図１（ｄ）は、直線状マイクロストリップ線路から成る１個の共振器Ｌと、ヘアピン状マイクロストリップ線路から成る３個の共振器Ｈとを順次接続し、第１番目と第４番目の共振器Ｈに直線状１／４波長マイクロストリップ線路Ｍを結合させ、第１番目と第４番目の共振器Ｈの直線状１／４波長マイクロストリップ線路Ｍと結合している側の端部間に飛び越し結合回路Ｃを接続した例である。
【００５５】
これら本発明の分布定数フィルタの構成例から分かるように、飛び越し結合回路Ｃは、共振器と交差することなく目的のポートに接続することができ、２次元の平面回路構造のままで帯域通過フィルタを実現することができる。
【００５６】
次に、これら図１（ａ）〜（ｄ）に示した本発明の分布定数フィルタの例に対し、その１／２波長マイクロストリップ線路共振器の１個を１／２波長の移相器を付加して１波長マイクロストリップ線路共振器に置き換えた例が、図２（ａ）〜（ｄ）にそれぞれ同様の平面図で示す本発明の分布定数フィルタの実施の形態の例である。これらは、図13に示される等価回路の中心の虚ジャイレータを含む左半分の回路に相当するものとなる。
【００５７】
図２（ａ）〜（ｄ）は、いずれも図１（ａ）〜（ｄ）に示した例に対して、ヘアピン状マイクロストリップ線路から成る１／２波長マイクロストリップ線路共振器Ｈの１個を同じくヘアピン状の１波長マイクロストリップ線路共振器Ｈ’に置き換えた例である。
【００５８】
このように１／２波長マイクロストリップ線路共振器の少なくとも１個を１波長マイクロストリップ線路共振器に置き換えることにより、順次結合している多共振器型フィルタの伝送特性の位相を反転制御する作用効果を実現できるため、正確に設計通りの飛び越し結合回路を付加することができる。
【００５９】
なお、このように１／２波長マイクロストリップ線路共振器の少なくとも１個を１波長マイクロストリップ線路共振器に置き換える場合、この１波長マイクロストリップ線路共振器は１／２波長マイクロストリップ線路共振器に１／２波長の移相器を付加したものとして機能することから、この置き換える共振器の個数は奇数個とすることが好ましい。
【００６０】
以上の図１（ａ）〜（ｄ）に示した各分布定数フィルタと図２（ａ）〜（ｄ）に示した各分布定数フィルタとは、それぞれ伝達関数である回路網関数ｓ21の分子多項式の実軸上の零点と虚軸上の零点を含む回路に相当する回路部となる。そして、これら図１（ａ）〜（ｄ）の回路と図２（ａ）〜（ｄ）の回路とを縦続接続することで、図13に等価回路で示した帯域通過型フィルタを同一平面上の平面回路として実現することができる。
【００６１】
【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、直線状またはヘアピン状のｎ個の１／２波長マイクロストリップ線路共振器をそれぞれ隣接する共振器間で略１／４波長結合させて順次接続し、直線状およびヘアピン状のマイクロストリップ線路の個数をそれぞれ奇数とするとともに第１番目および第ｎ番目の１／２波長マイクロストリップ線路共振器に外部回路接続用の直線状１／４波長マイクロストリップ線路を結合させ、かつ第１番目および第ｎ番目の１／２波長マイクロストリップ線路共振器の直線状１／４波長マイクロストリップ線路と結合している側の端部間または直線状１／４波長マイクロストリップ線路間に飛び越し結合回路を接続したことから、同一平面上で３次元的な構造を加えることなく飛び越し結合回路の接続を実現することができ、フィルタの伝送特性に伝送零点を加えることができる。
【００６２】
また、ｎ個の共振器による多共振器型の帯域通過型フィルタ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加えることで、所望の減衰極を作ったり、振幅特性や群遅延時間の補正が可能となる。さらに、飛び越し結合回路により共振器間の伝送特性の位相を制御することで、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、振幅特性や群遅延時間の補正ができ、所望特性の分布定数フィルタ実現が容易となる。
【００６３】
また、本発明の分布定数フィルタによれば、上記構成において、１／２波長マイクロストリップ線路共振器の少なくとも１個を１波長マイクロストリップ線路共振器に置き換えた場合には、順次結合している多共振器型フィルタの伝送特性の位相を反転制御する作用効果を実現できるため、正確に設計通りの飛び越し結合回路を付加することができる。
【００６４】
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、伝達特性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同一平面上で３次元的な構造を加えることなく構成し実現することができる。
【００６５】
そして、共振器間の結合・接続に飛び越し結合を加えて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ほぼ同じ構成で実現できる。その結果、簡単な構造の回路構成で通過域で振幅群遅延同時平坦特性、阻止域で伝送零点（減衰極）を有する帯域通過フィルタを実現することができる。
【００６６】
以上のように、本発明によれば、平面構造の分布定数フィルタの特長を損なわずに、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できるとともに、低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た。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）〜（ｄ）は、それぞれ本発明の分布定数フィルタの実施の形態の例を示す平面図である。
【図２】（ａ）〜（ｄ）は、それぞれ本発明の分布定数フィルタの実施の形態の例を示す平面図である。
【図３】（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４】（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５】（ａ）および（ｂ）は、それぞれ直線形多共振器フィルタおよびヘアピン形多共振器フィルタの構成例を示す平面図である。
【図６】（ａ）〜（ｄ）は、それぞれ飛び越し結合を含む直線形多共振器フィルタおよびヘアピン形多共振器フィルタの構成例を示す平面図である。
【図７】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８】図７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９】（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１０】図８に示す回路を図９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１１】図10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１２】（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１３】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１４】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１５】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。
【符号の説明】
Ｌ・・・直線状のマイクロストリップ線路から成る１／２波長マイクロストリップ線路共振器Ｈ・・・ヘアピン状のマイクロストリップ線路から成る１／２波長マイクロストリップ線路共振器Ｈ’・・ヘアピン状のマイクロストリップ線路から成る１波長マイクロストリップ線路共振器Ｍ・・・直線状１／４波長マイクロストリップ線路Ｃ・・・飛び越し結合回路
Claims (3)
- 直線状およびヘアピン状のマイクロストリップ線路を含んで成る、通過帯域の中心周波数に対応する１／２波長マイクロストリップ線路共振器をｎ（ｎは４以上の偶数）個、それぞれ隣接する共振器間で略１／４波長結合させて順次接続して成るとともに、ヘアピン状のマイクロストリップ線路共振器が２個隣接して接続される場合は、開口部が互いに異なる向きとなるように接続され、
前記直線状のマイクロストリップ線路の個数および前記ヘアピン状のマイクロストリップ線路の個数をそれぞれ奇数とすることで、第１番目の前記１／２波長マイクロストリップ線路共振器の入力側ポートと第ｎ番目の前記１／２波長マイクロストリップ線路共振器の出力側ポートとを飛び越し結合回路で結んだときに、結合した共振器と交差しないように配置し、前記第１番目の１／２波長マイクロストリップ線路共振器の入力側ポートと前記第ｎ番目の１／２波長マイクロストリップ線路共振器の出力側ポートとの間に前記飛び越し結合回路を接続したことを特徴とする分布定数フィルタ。 - 直線状およびヘアピン状のマイクロストリップ線路を含んで成る、通過帯域の中心周波数に対応する１／２波長マイクロストリップ線路共振器をｎ（ｎは４以上の偶数）個、それぞれ隣接する共振器間で略１／４波長結合させて順次接続し、第１番目および第ｎ番目の前記１／２波長マイクロストリップ線路共振器に外部回路接続用の直線状１／４波長マイクロストリップ線路を結合させて成るとともに、ヘアピン状のマイクロストリップ線路共振器が２個隣接して接続される場合は、開口部が互いに異なる向きとなるように接続され、
前記直線状のマイクロストリップ線路の個数および前記ヘアピン状のマイクロストリップ線路の個数をそれぞれ奇数とすることで、第１番目および第ｎ番目の前記１／２波長マイクロストリップ線路共振器の前記直線状１／４波長マイクロストリップ線路と結合している側の端部を、前記直線状１／４波長マイクロストリップ線路間を飛び越し結合回路で結んだときに、結合した共振器と交差しないように配置し、前記直線状１／４波長マイクロストリップ線路間に飛び越し結合回路を接続したことを特徴とする分布定数フィルタ。 - 前記マイクロストリップ線路共振器の少なくとも１個を１波長マイクロストリップ線路共振器に置き換えたことを特徴とする請求項１または２に記載の分布定数フィルタ。
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