JP4523478B2 - Band-pass filter, high-frequency module, and wireless communication device using the same - Google Patents
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Description
本発明は、無線通信分野の超広帯域UWB(Ultra WideBand)に好適に使用される、広帯域でかつ急峻な減衰特性を持つ帯域通過フィルタ及びこれを用いた無線通信機器に関するものである。UWBは、PCアダプタ、外付け記憶装置、プリンタ、スキャナ、HubなどのPC周辺機器のデータ伝送媒体として、あるいはデジタルテレビ、プロジェクタ、5.1chスピーカシステム、ビデオカメラ等のデジタル家電のデータ伝送媒体としての利用が予想される。 The present invention relates to a bandpass filter having a broadband and steep attenuation characteristic, which is preferably used for an ultra-wideband UWB (Ultra WideBand) in the field of wireless communication, and a wireless communication device using the same. UWB is used as a data transmission medium for PC peripheral devices such as PC adapters, external storage devices, printers, scanners, and hubs, or as a data transmission medium for digital home appliances such as digital televisions, projectors, 5.1ch speaker systems, and video cameras. Is expected to be used.
近年、新しい通信手段として、超広帯域(UWB; Ultra Wide Band)が着目されている。
UWBは3.1GHz〜10.6GHzを通過帯域とし大容量のデータ転送を実現する。
このUWBと、データ通信手段の一つとして用いられる無線ローカルエリアネットワーク(以下W−LAN)とを比較すると、通信距離とデータ転送速度が違っている。W−LANでは、通信距離30〜100m、送信電力500mW、通信速度約11Mbpsであるのに対して、UWBでは通信距離は10mと短いが、送信電力は100mWと低消費電力であり、また通信速度は、通信距離10m前後で100Mbps、通信距離2m以下では480Mbpsとより高速のデータ通信が可能である。
In recent years, attention has been paid to an ultra wide band (UWB) as a new communication means.
UWB realizes large-capacity data transfer with a pass band of 3.1 GHz to 10.6 GHz.
When this UWB is compared with a wireless local area network (hereinafter referred to as W-LAN) used as one of data communication means, the communication distance and the data transfer rate are different. In the W-LAN, the communication distance is 30 to 100 m, the transmission power is 500 mW, and the communication speed is about 11 Mbps, whereas in the UWB, the communication distance is as short as 10 m, but the transmission power is 100 mW and the power consumption is low. Is capable of high-speed data communication of 100 Mbps at a communication distance of about 10 m and 480 Mbps at a communication distance of 2 m or less.
米国FCCの規定によると、UWBに使われる周波数帯域は、いくつかの取り決めが定まっているが、3.1GHzから10.6GHzの広帯域が用いられる。
このように、UWBの一つの特徴は、広帯域を用いることである。その比帯域(帯域幅/中心周波数)は、40%以上、場合により110%が要求される。
また、UWBの平均送信電力密度は−41.25dBm/MHz未満と低い値に規定されている。ここで、−41.25dBm/MHzは、波源から3mの距離において電界強度54dBμV=500μV/mを発生する放射電力に相当する。
According to the US FCC regulations, there are some rules for the frequency band used for UWB, but a wide band from 3.1 GHz to 10.6 GHz is used.
Thus, one feature of UWB is the use of a wide band. The ratio band (bandwidth / center frequency) is required to be 40% or more, and in some cases 110%.
Further, the average transmission power density of UWB is defined as a low value of less than −41.25 dBm / MHz. Here, −41.25 dBm / MHz corresponds to radiated power that generates an electric field strength of 54 dBμV = 500 μV / m at a distance of 3 m from the wave source.
このように、UWBの他の特徴は、送信電力が低いことである。
FCCが規定した屋外環境下におけるスペクトルマスクの一例をあげると、3.16GHzから4.75GHzにかけての通過帯域の送信電力を基準(0dB)にして、3.1GHzで−20dB、1.61GHzで−30dBとなるように規定されている。また、実質的な使用条件においては、W−LAN(802.11.a)との間の影響を考慮する必要があり、5.15GHzの減衰が要求されている。
Thus, another feature of UWB is low transmission power.
An example of the spectrum mask under the outdoor environment defined by the FCC is that the transmission power in the passband from 3.16 GHz to 4.75 GHz is the reference (0 dB), −20 dB at 3.1 GHz, −1.6 dB at −1.61 GHz It is specified to be 30 dB. Moreover, under substantial use conditions, it is necessary to consider the influence with W-LAN (802.11.a), and attenuation of 5.15 GHz is required.
したがって、UWBのもう一つの特徴は、送信電力スペクトルが、通過帯域に隣接する短い帯域で急峻な減衰を要求されることである。 Therefore, another feature of UWB is that the transmission power spectrum is required to be steeply attenuated in a short band adjacent to the pass band.
以上のことから、UWBの無線通信機器において、送受信信号の通過経路に挿入されるフィルタは、広帯域であること、低損失であること、通過帯域近傍での高減衰をとることが要求される。
近年、通信分野において、低損失かつ高減衰が必要な狭帯域フィルタとして、高いQ値が得られる水晶や圧電磁器をベース材料としたSAWフィルタやBAWフィルタが用いられているが、それらの比帯域は中心周波数2GHzにおいて3〜4%以下、帯域幅は0.06〜0.08GHzと、UWBの帯域幅と比べて2桁ほど狭い。これらの帯域幅は、水晶や圧電基板の電気機械結合係数より決まっており、帯域幅を広げることは材料的観点から困難である。
From the above, in a UWB wireless communication device, a filter inserted into a transmission / reception signal passage path is required to have a wide band, low loss, and high attenuation near the pass band.
In recent years, SAW filters and BAW filters based on quartz and piezoelectric ceramics that can obtain high Q values have been used as narrowband filters that require low loss and high attenuation in the communication field. Is 3 to 4% or less at a center frequency of 2 GHz, and the bandwidth is 0.06 to 0.08 GHz, which is two orders of magnitude narrower than the bandwidth of UWB. These bandwidths are determined by the electromechanical coupling coefficient of the crystal or the piezoelectric substrate, and it is difficult to increase the bandwidth from the viewpoint of materials.
一般には、2〜5GHzの周波数帯域において、急峻な減衰特性をもつ帯域通過フィルタを得る手法として、誘電体共振器を複数個組み合わせた、誘電体フィルタが用いられる。誘電体共振器はQ値に優れており、これを用いた誘電体フィルタでは急峻な減衰特性が得られる。しかし、誘電体フィルタのサイズは大きくなる問題点があり、例えば、中心周波数5.25GHz、比帯域約4%の通過特性をもつ、誘電体共振器を3個組み合わせた3段誘電体フィルタにおいて、サイズは約6×3×2mmとなる。さらに、比帯域40%以上の広帯域化には、誘電体共振器の個数を増やす必要があるため、誘電体フィルタは、広帯域化と小型化を両立できない問題がある。 In general, as a technique for obtaining a band-pass filter having a steep attenuation characteristic in a frequency band of 2 to 5 GHz, a dielectric filter in which a plurality of dielectric resonators are combined is used. A dielectric resonator is excellent in Q value, and a steep attenuation characteristic can be obtained with a dielectric filter using the dielectric resonator. However, there is a problem that the size of the dielectric filter becomes large. For example, in a three-stage dielectric filter that combines three dielectric resonators having a pass frequency with a center frequency of 5.25 GHz and a specific band of about 4%, The size is about 6 × 3 × 2 mm. Furthermore, since it is necessary to increase the number of dielectric resonators in order to increase the bandwidth of a specific bandwidth of 40% or more, the dielectric filter has a problem that it is not possible to achieve both broadband and miniaturization.
本発明は、UWBにおいて、広い通過帯域幅を持ち、小型かつ低損失で、狭い帯域において高い減衰量が得られる帯域通過フィルタ及び高周波モジュール、並びにこれを用いた無線通信機器を提供することを目的とする。 An object of the present invention is to provide a band-pass filter and a high-frequency module that have a wide pass bandwidth, a small size and low loss, and can obtain a high attenuation in a narrow band, and a radio communication device using the same. And
本発明の帯域通過フィルタは、それぞれ一端が接地される、長さが略1/4波長である第1から第6の共振器と、前記第1の共振器の非接地端に結合される入力部と、前記第6の共振器の非接地端に結合される出力部とを備え、前記第2から前記第5の共振器は互いに電磁気的に結合され、前記第1の共振器の非接地端と前記第2の共振器の非接地端とが第1のキャパシタ素子で容量結合され、前記第1の共振器の非接地端と前記第3の共振器の非接地端とが第2のキャパシタ素子で容量結合され、前記第4の共振器の非接地端と前記第6の共振器の非接地端とが第3のキャパシタ素子で容量結合され、前記第5の共振器の非接地端と前記第6の共振器の非接地端とが第4のキャパシタ素子で容量結合され、前記入力部及び出力部は、第5及び第6のキャパシタ素子又は第1及び第2のインダクタ素子を介してそれぞれ前記第1及び第6の共振器に結合されるものである。
Bandpass filter of the present invention, inputs each one end is coupled to the ungrounded end of Ru is grounded, the first and the sixth resonator is approximately a quarter wavelength in length, wherein the first resonator And an output unit coupled to the non-grounded end of the sixth resonator, and the second to fifth resonators are electromagnetically coupled to each other, and the first resonator is ungrounded. And the non-grounded end of the second resonator are capacitively coupled by the first capacitor element, and the non-grounded end of the first resonator and the non-grounded end of the third resonator are the second It is capacitively coupled with the capacitor element, the fourth and the ungrounded end of the resonator and the ungrounded end of the sixth resonator is capacitively coupled with the third capacitor element, ungrounded end of the fifth resonator and the sixth and ungrounded end of resonator is capacitively coupled with a fourth capacitor element, the input and
この構成の帯域通過フィルタは、第2から第5の共振器同士で電磁気的結合を実現できる。この結合は、エッジ結合であっても、面結合(ブロードサイド結合)であってもよい。この結合のため、各々の共振器の結合量を適切に選択することで、帯域通過フィルタの広帯域が可能となる。また共振器を複数個用意することで、減衰特性を急峻にすることが可能である。 The bandpass filter having this configuration can realize electromagnetic coupling between the second to fifth resonators. This coupling may be edge coupling or surface coupling (broadside coupling). For this coupling, a wide band of the band-pass filter can be obtained by appropriately selecting the coupling amount of each resonator. Further, by preparing a plurality of resonators, it is possible to make the attenuation characteristic steep.
一般的には、共振器には損失が存在するため、共振器の数を増やすと、通過帯域内での損失が増大する。例えば、3.16GHz〜4.75GHzを通過帯域とするチェビシェフ関数を用いた帯域通過フィルタの場合、リップル0.2dB、共振器Q=180とした場合、5段の共振器構成では、損失は−1.0dB程度であったが、減衰が−18dBと不十分であった。7段の共振器構成では、減衰は−32dB程度であるが、損失は−1.9dBと大きなものになった。6段の共振器構成の帯域通過フィルタでは、損失−1.6dB、減衰−25dBと両方ともを満足する結果が得られることが、理論的に確認された。 In general, since there is a loss in the resonator, increasing the number of resonators increases the loss in the passband. For example, in the case of a band-pass filter using a Chebyshev function having a pass band of 3.16 GHz to 4.75 GHz, when the ripple is 0.2 dB and the resonator Q is 180, the loss is − Although it was about 1.0 dB, the attenuation was insufficient at −18 dB. In the seven-stage resonator configuration, the attenuation is about -32 dB, but the loss is as large as -1.9 dB. It has been theoretically confirmed that a bandpass filter having a 6-stage resonator configuration can obtain a result satisfying both a loss of −1.6 dB and an attenuation of −25 dB.
そこで本発明では、6段の共振器を用い、第2から第5の共振器の強い誘導結合を実現し、入出力部を形成するリアクタンス成分を適切に選ぶことで、広帯域を得ると共に、第1から第4のキャパシタとこれらの共振器との強い誘導結合にて、約300MHzで−20dB以上の減衰特性が要求される高周波側に、減衰極を形成することができる。これにより、高減衰特性を得ることができる。 Therefore, in the present invention, a 6-stage resonator is used, strong inductive coupling of the second to fifth resonators is realized, and the reactance component forming the input / output unit is appropriately selected to obtain a wide band, and the first With strong inductive coupling between the first to fourth capacitors and these resonators, an attenuation pole can be formed on the high frequency side where an attenuation characteristic of −20 dB or more is required at about 300 MHz. Thereby, a high attenuation characteristic can be obtained.
また、本発明の6段の共振器を用いた帯域通過フィルタの構造は、3本目共振器と4本目共振器を中心に対称系とすることが好ましく、5本の共振器を用いた帯域通過フィルタや7本の共振器を用いた帯域通過フィルタに比べると、回路をパターンに落とし込みやすいというメリットもある。
前記入力部及び出力部には、第1及び第6の共振器に結合された第5及び第6のキャパシタ素子またはインダクタ素子を用いる。この場合、素子の定数を所定値に設定することにより、入力部及び出力部において信号の出し入れの際に強い結合を得ることができるので、帯域通過フィルタの通過損失を少なくすることができる。
Further, the structure of the band-pass filter using the six-stage resonator of the present invention is preferably a symmetric system centering on the third resonator and the fourth resonator, and the band-pass filter using the five resonators. Compared to a bandpass filter using a filter and seven resonators, there is also an advantage that the circuit can be easily dropped into a pattern.
For the input unit and the output unit, fifth and sixth capacitor elements or inductor elements coupled to the first and sixth resonators are used. In this case, by setting the constant of the element to a predetermined value, strong coupling can be obtained at the time of input / output of the signal in the input unit and the output unit, so that the pass loss of the band pass filter can be reduced.
前記第2から第5のいずれかの共振器の非接地端を、キャパシタ素子を介して接地すれば、当該共振器の長さを1/4波長未満とすることができるので、帯域通過フィルタの長さ方向の寸法を小さくでき、帯域通過フィルタをより高密度に実装できるようになる。一般に、一端が接地された共振器のエネルギー分布は、線路の長さ方向に対して、非接地端において電界エネルギーが最も高く、接地されたもう一端に進むにつれて電界エネルギーは弱くなっていく。一方、磁界エネルギーは接地された一端において最も高く、非接地端に進むにつれて磁界エネルギーは弱くなっていく。電界エネルギーはCV2/2で定義され(Cは静電容量、Vは電圧)、磁界エネルギーはLI2/2で定義される(Lはインダクタンス、Iは電流)。共振器長を短くするためには、同量のエネルギーが共振器以外で得られるように工夫すればよい。従って非接地端の容量を大きくするか、接地端のインダクタンスを大きくすることが挙げられる。本発明の帯域通過フィルタにおいても、共振器の非接地端の容量を設けることで、共振器長を短くすることができる。従って帯域通過フィルタの小型化が可能になる。 If the ungrounded end of any one of the second to fifth resonators is grounded via a capacitor element, the length of the resonator can be made less than ¼ wavelength. The dimension in the length direction can be reduced, and the band-pass filter can be mounted with higher density. In general, the energy distribution of the resonator whose one end is grounded has the highest electric field energy at the non-grounded end in the length direction of the line, and the electric field energy becomes weaker as it goes to the other end that is grounded. On the other hand, the magnetic field energy is highest at one end grounded, and the magnetic field energy becomes weaker as it goes to the non-grounded end. Electric field energy is defined by CV 2/2 (C is the capacitance, V is voltage), the magnetic field energy is defined by the LI 2/2 (L is inductance, I is current). In order to shorten the resonator length, it may be devised so that the same amount of energy can be obtained from other than the resonator. Accordingly, it is possible to increase the capacitance of the non-grounded end or increase the inductance of the grounded end. Also in the band pass filter of the present invention, the resonator length can be shortened by providing the capacitance of the non-grounded end of the resonator. Therefore, the band pass filter can be downsized.
前記共振器を構成する導体板の形状は矩形(長方形)状となる。
前記共振器は、例えばストリップ線路、マイクロストリップ線路又はコプレーナ線路で構成することができる。
また、前記共振器を、複数の誘電体層を積層した誘電体多層基板の内部に形成することができる。誘電率の高い誘電体を用いることによって、帯域通過フィルタの小型化、低背化を図ることができる。
The shape of the conductive plate constituting the resonator becomes rectangle (rectangular) shape.
The resonator can be formed of, for example, a strip line, a microstrip line, or a coplanar line.
The resonator can be formed inside a dielectric multilayer substrate in which a plurality of dielectric layers are stacked. By using a dielectric having a high dielectric constant, the band-pass filter can be reduced in size and height.
前記誘電体の誘電率は、UWBの3.1GHz〜10.6GHzで10以下に設定することが好ましい。一般に共振周波数近傍での共振器は、図10に示すように、等価インダクタLpと等価キャパシタ素子Cpの並列接続回路で等価的に表現できる。このときの共振器のQは、周波数ωと等価キャパシタ素子Cpの静電容量に比例する。誘電率の高い誘電体を用いた場合、等価キャパシタ素子Cpが大きくなり、共振器のQが高くなる。共振器のQが高いことは、共振器の通過帯域が狭くなることを意味しており、Qの高い共振器を用いた帯域通過フィルタの通過帯域は狭くなる。このことを図11に図示すると、共振周波数が一定である場合、Cpが小さくなるほど通過帯域は広くなることがわかる。従って、誘電率は10以下とすることが望ましい。 It is preferable that the dielectric constant of the dielectric is set to 10 or less at UWB 3.1 GHz to 10.6 GHz. In general, a resonator near the resonance frequency can be equivalently expressed by a parallel connection circuit of an equivalent inductor Lp and an equivalent capacitor element Cp as shown in FIG. The Q of the resonator at this time is proportional to the frequency ω and the capacitance of the equivalent capacitor element Cp. When a dielectric having a high dielectric constant is used, the equivalent capacitor element Cp increases and the resonator Q increases. A high Q of the resonator means that the passband of the resonator is narrowed, and a passband of a bandpass filter using a resonator having a high Q is narrowed. If this is illustrated in FIG. 11, it can be seen that when the resonance frequency is constant, the pass band becomes wider as Cp becomes smaller. Therefore, the dielectric constant is desirably 10 or less.
また前記誘電体多層基板の上面及び下面にそれぞれグランド電極が配置されている構造とすれば、第1〜第6の共振器の接地端を接地することが容易にできる。また、誘電体多層基板の上下を挟むグランド電極により、電磁シールド効果も得られる。
前記グランド電極同士の間隔Dは1.0mm以下であることが望ましい。これにより、誘電体多層基板の厚みを薄くすることができる。
Further, if a structure in which each ground electrode upper surface and a lower surface of the front Ki誘 collector multilayer substrate is disposed, Rukoto to ground the grounding terminal of the first to sixth resonator can be easily. Further, an electromagnetic shielding effect can be obtained by the ground electrodes sandwiching the upper and lower sides of the dielectric multilayer substrate .
Before distance D between Kigu land electrodes is desirably 1.0mm or less. Thereby, the thickness of the dielectric multilayer substrate can be reduced.
前記第5及び第6のキャパシタ素子の静電容量は0.5pF以上〜1.5pF未満であることが望ましい。本発明の帯域通過フィルタでは、回路と外部負荷との結合をリアクタンスで行う。従来の帯域通過フィルタでは、通過帯域が比較的狭いため、回路の急峻性を示す回路Q,Qeは高い値であることが望ましい。入出力負荷とフィルタ回路の結合を容量で行う場合、Qeは容量の逆数の関数であることから、0.1pF以下の小さな容量で結合される。一方、本発明の帯域通過フィルタでは、1.5GHz程度又はそれ以上の帯域幅が必要であるため、Qeは小さいことが望ましい。従って、第5のキャパシタ素子及び第6のキャパシタ素子としては、0.5pF以上の大きな容量を必要とする。一方、第5のキャパシタ素子及び第6のキャパシタ素子の容量を大きくしすぎた場合、帯域が広くなる一方で減衰の急峻さが失われる。UWBで用いられる帯域通過フィルタは0.4GHz〜0.6GHzの狭い帯域において急峻な減衰特性が要求されることから、第5のキャパシタ素子及び第6のキャパシタ素子の容量は大きすぎても減衰特性の観点から不適切になる。したがって1.5pF未満であることが望ましい。 Capacitance of the fifth and sixth capacitor element is preferably less than or 0.5p F ~1.5pF. In the band-pass filter of the present invention, the circuit and the external load are coupled by reactance. In the conventional band pass filter, since the pass band is relatively narrow, it is desirable that the circuits Q and Qe indicating the steepness of the circuit have high values. When the input / output load and the filter circuit are coupled by a capacitor, since Qe is a function of the reciprocal of the capacitor, they are coupled by a small capacitor of 0.1 pF or less. On the other hand, since the band pass filter of the present invention requires a bandwidth of about 1.5 GHz or more, Qe is desirably small. Therefore, the fifth capacitor element and the sixth capacitor element, and requires a large capacity of more than 0.5 p F. On the other hand, when the capacities of the fifth capacitor element and the sixth capacitor element are excessively increased, the band becomes wider while the steep attenuation is lost. Since the band pass filter used in UWB requires a steep attenuation characteristic in a narrow band of 0.4 GHz to 0.6 GHz, even if the capacitances of the fifth capacitor element and the sixth capacitor element are too large, the attenuation characteristic is obtained. It becomes inappropriate from the point of view. Therefore, it is desirable that it is less than 1.5 pF.
また、本発明は、前記帯域通過フィルタを搭載した、小型化可能な無線通信機器に係るものである。この無線通信機器によれば、受信感度の向上、広帯域通信、低消費電力、かつ無線LANなどとの相互干渉の防止が実現できる。 In addition, the present invention relates to a wireless communication device that is equipped with the band-pass filter and can be miniaturized. According to this wireless communication device, it is possible to improve reception sensitivity, wideband communication, low power consumption, and prevention of mutual interference with a wireless LAN.
以下、本発明の実施の形態を、添付図面を参照しながら詳細に説明する。
図1は、本発明の帯域通過フィルタの回路構成を示す図である。
帯域通過フィルタは、上下に積層された6枚の共振器21〜26を備えている。この共振器21〜26は、ストリップ線路、マイクロストリップ線路又はコプレーナ線路により構成される。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
FIG. 1 is a diagram showing a circuit configuration of a bandpass filter according to the present invention.
The bandpass filter includes six
少なくとも前記4枚の共振器22〜25は、同一寸法の矩形導体板状であり、同一誘電体面上に並行して配置されていてもよく、積層方向から見て重ねて配置されていてもよい。
この配置により、4枚の共振器25〜25は、互いに電磁気的に結合し、特に誘導結合が強くなっている(図1にMで示している)。
At least the four
With this arrangement, the four
前記6枚の各共振器21〜26の一方側(図1の下側)にある端部は、ともに接地されている(接地端という)。
共振器21,26の非接地端は、それぞれキャパシタ素子C5,C6を介して入力電極IN、出力電極OUTに容量結合されている。これらの容量結合された部分を「入力部」、「出力部」という。
The end portions on one side (the lower side in FIG. 1) of each of the six
The ungrounded ends of the
入力部、出力部を構成するキャパシタ素子C5,C6は、集中回路定数であっても、分布定数線路であってもよい。
前記6枚の各共振器21〜26の長さは、すべて1/4波長としている。
この構造により、4枚の共振器22〜25同士で強い誘導結合を得ることができ、通過帯域の広帯域化を図ることができる。また、4枚の共振器22〜25を対向させて並べることにより、帯域通過フィルタの小型化を図ることもできる。
Capacitor elements C5 and C6 constituting the input unit and output unit may be lumped circuit constants or distributed constant lines.
The lengths of the six
With this structure, strong inductive coupling can be obtained between the four
図2は、各共振器22〜25の非接地端を、それぞれキャパシタ素子C1〜C4を介して入力電極IN、出力電極OUTに容量結合させるとともに、共振器22〜25の非接地端を、キャパシタ素子C7〜C10を介して接地した構造を示す。キャパシタ素子C7〜C10は、集中定数であっても分布定数であってもよい。
この構成を、図1と比較すると、共振器22〜25の非接地端が、キャパシタ素子C7〜C10を介して接地されている。このことにより、共振器22〜25の実効長の一部がキャパシタ素子C7〜C10により置換され、当該共振器22〜25の長さを1/4波長未満とすることができる。
In FIG. 2, the ungrounded ends of the
When this configuration is compared with FIG. 1, the non-grounded ends of the
したがって、この帯域通過フィルタでは、共振器22〜25の長さを短くすることができ、小型化を図るのにさらに有利になる。
次に、図1、図2で説明した帯域通過フィルタの製造方法を説明する。
帯域通過フィルタは、複数の誘電体層を積層した誘電体多層基板の各誘電体層上に、前記共振器を形成した構造となっている。
Therefore, in this band pass filter, the lengths of the
Next, a method for manufacturing the bandpass filter described in FIGS. 1 and 2 will be described.
The band pass filter has a structure in which the resonator is formed on each dielectric layer of a dielectric multilayer substrate in which a plurality of dielectric layers are laminated.
誘電体多層基板は、同一寸法形状の複数の誘電体層が積層されて構成されており、各誘電体層上には、所定の導体パターンからなる導体層が形成されている。
各誘電体層は、例えば、低温焼成用のセラミックス(LTCC; Low Temperature Co-fired Ceramics)で形成され、各誘電体層に形成される導体層は、銅や銀などの低抵抗導体によって形成される。
The dielectric multilayer substrate is configured by laminating a plurality of dielectric layers having the same size and shape, and a conductor layer having a predetermined conductor pattern is formed on each dielectric layer.
Each dielectric layer is formed of, for example, low temperature co-fired ceramics (LTCC), and the conductor layer formed on each dielectric layer is formed of a low resistance conductor such as copper or silver. The
このような多層基板は、周知の多層セラミック技術によって形成されるもので、例えば、セラミックグリーンシートの表面に導電ペーストを塗布して各共振器を構成する導体パターンをそれぞれ形成した後、積層し、所要の圧力と温度の下で熱圧着し焼成して形成されている。
また、各誘電体層には複数の層にわたって、上下の導体層を接続するために必要なビアホール導体が適宣形成される。
Such a multilayer substrate is formed by a well-known multilayer ceramic technology. For example, a conductive paste is applied to the surface of a ceramic green sheet to form each conductor pattern constituting each resonator, and then laminated. It is formed by thermocompression bonding and firing under the required pressure and temperature.
Each dielectric layer is appropriately formed with via-hole conductors necessary for connecting the upper and lower conductor layers over a plurality of layers.
前記LTCCの誘電率は、例えば9.4程度、一層の誘電体の厚み(焼成前)は例えば0.075mmである。誘電体多層基板の厚みは0.9mmである。
なお、前記図1、図2の帯域通過フィルタでは、共振器21〜26の端部を接地する必要がある。
このため、以下に説明するように、各共振器21〜26の端部を接地するための接地パターンを、共振器21〜26を構成する各導体パターンの上下の誘電体層に設けるとよい。なお、接地パターンは、上面もしくは下面、また共振器と同一平面に形成してもよい。
The dielectric constant of the LTCC is, for example, about 9.4, and the thickness of one dielectric layer (before firing) is, for example, 0.075 mm. The thickness of the dielectric multilayer substrate is 0.9 mm.
In the bandpass filters shown in FIGS. 1 and 2, the ends of the
For this reason, as will be described below, a ground pattern for grounding the ends of the
図3、図4は本発明の帯域通過フィルタをチップ部品として構成した場合の外観図を示している。図3は正面からの外観図、図4は背面からの外観図である。
17は誘電体多層基板であり、その内部に、後に図5を用いて説明する配線パターンが引き回されている。
E1,E2はグランド電極であり、INは入力端子電極、OUTは出力端子電極を示す。入出力端子が反対になった場合でも本発明の帯域通過フィルタは同様に機能する。
3 and 4 show external views when the band-pass filter of the present invention is configured as a chip component. FIG. 3 is an external view from the front, and FIG. 4 is an external view from the back.
E1 and E2 are ground electrodes, IN is an input terminal electrode, and OUT is an output terminal electrode. Even when the input / output terminals are reversed, the bandpass filter of the present invention functions in the same manner.
各グランド電極E1,E2は、誘電体多層基板17の側面に設けられた側面電極E3を介して接続されている。側面電極E3は、各誘電体層内部に形成された導体パターンにも接続されている。
図5は、誘電体多層基板17の表裏面及び誘電体内部の配線パターンを分解して示す図である。上から表層、第2層〜第12層、裏面のパターンをそれぞれ示している。
The ground electrodes E1 and E2 are connected via a side electrode E3 provided on the side surface of the
FIG. 5 is an exploded view showing the front and back surfaces of the
表層にはグランド電極E1が形成されており、グランド電極E1は、誘電体の側面電極E3に接続されている。誘電体の側面電極E3は誘電体の側面を介して、7層目の導体パターン及び裏面のグランド電極E2に接続されている。
7層目には、矩形状の共振器21から共振器26までが、平行に配置されている。このうち、共振器21から共振器26までは、強い結合が得られるように、エッジ同士が近接して配置されている。共振器21〜26は、長さ方向の一端がグランド電極E3に接続されている。
A ground electrode E1 is formed on the surface layer, and the ground electrode E1 is connected to a dielectric side electrode E3. The dielectric side electrode E3 is connected to the seventh-layer conductor pattern and the back ground electrode E2 via the dielectric side surface.
In the seventh layer,
2層目において、電極34,35(図2も参照)が形成されている。これらの電極34,35は表層のグランド電極E1との間で第8のキャパシタ素子C8、第9のキャパシタ素子C9の容量を形成する。電極34と電極35は、ビアを介して、7層目の共振器23と共振器24の非接地端に接続されている。
6層目において、入力電極INと出力電極OUTが形成されている。入力電極INは、誘電体の側面を介して裏面にまで延長され、出力電極OUTも同様に、誘電体の側面を介して裏面にまで延長されている。
In the second layer,
In the sixth layer, an input electrode IN and an output electrode OUT are formed. The input electrode IN is extended to the back surface through the side surface of the dielectric, and the output electrode OUT is also extended to the back surface through the side surface of the dielectric.
入力電極INの一端は、キャパシタ素子C5を形成する電極31bに接続されている。また、出力電極OUTの一端は、キャパシタ素子C6を形成する電極32bと接続されている。
また、6層目において、7層目に配線した第1の共振器21と、第2の共振器22との間で、第1のキャパシタ素子C1を形成するための電極27が設けられている。また、7層目に配線した第5の共振器25と、第6の共振器26との間で第4のキャパシタ素子C4を形成するための電極29も設けられている。
One end of the input electrode IN is connected to the
In the sixth layer, an electrode 27 for forming the first capacitor element C1 is provided between the
7層目において、6層目の電極31b及び8層目の電極31bと間でキャパシタ素子C5を形成するための電極31aが形成されており、6層目の電極32b及び8層目の電極32bとの間でキャパシタ素子C6を形成するための電極32aが形成されている。
8層目において、入力電極INは、6層目と同様に、誘電体の側面を介して裏面の入力電極INに接続されている。出力電極OUTも同様に、誘電体の側面を介して裏面の出力電極OUTに接続されている。
In the seventh layer, an
In the eighth layer, the input electrode IN is connected to the input electrode IN on the back surface through the side surface of the dielectric, as in the sixth layer. Similarly, the output electrode OUT is connected to the output electrode OUT on the back surface through the side surface of the dielectric.
8層目において、入力電極INは、キャパシタ素子C5を形成する電極31bに接続されている。出力電極OUTはキャパシタ素子C6を形成する電極32bに接続されている。
8層目に形成された電極28は、7層目の第1の共振器21と第3の共振器23との間で、第2のキャパシタ素子C2を形成するものである。電極30は、7層目の第4の共振器24と第6の共振器26との間で、第3のキャパシタ素子C3を形成するものである。
In the eighth layer, the input electrode IN is connected to the
The electrode 28 formed in the eighth layer forms the second capacitor element C2 between the
12層目の電極33は、裏面のグランド電極E2との間でキャパシタ素子C7を形成し、電極36は、裏面のグランド電極18との間でキャパシタ素子C10を形成している。
前記電極33は、7層目に配置された第2の共振器22とビアを介して接続されている。また、電極36は7層目に配置された第5の共振器25とビアを介して接続されている。
The
The
2層目〜11層目には、積層時の位置ずれによる非導通状態を防ぐランドパターンが配置されている。裏面にはグランド電極E2、入力電極IN、出力電極OUTが形成されている。
以上の構成により、通過帯域3.1〜4.9GHz、比帯域40%程度、5.15GHz、2.48GHzに高い減衰特性をもち、かつ小型である帯域通過フィルタを得ることができる。
On the second to eleventh layers, land patterns that prevent non-conduction due to misalignment during stacking are arranged. A ground electrode E2, an input electrode IN, and an output electrode OUT are formed on the back surface.
With the above configuration, it is possible to obtain a small bandpass filter having high attenuation characteristics in a passband of 3.1 to 4.9 GHz, a specific band of about 40%, 5.15 GHz, and 2.48 GHz.
次に、以上に説明した帯域通過フィルタを搭載する無線通信機器の構成例を、図6に示す。
図によれば、無線通信機器は、ベースバンド信号を処理するベースバンドIC45、高周波信号を処理するRFIC44、送受信を切り替える高周波スイッチ41、平衡信号と不平衡信号を変換するバラン43、帯域通過フィルタ42及びアンテナより構成される。
Next, FIG. 6 shows a configuration example of a wireless communication device equipped with the bandpass filter described above.
According to the figure, the wireless communication device includes a
前記RFIC44は、ベースバンドIC45より取得される送信信号の周波数変換、高周波増幅を行うとともに、受信信号の低雑音増幅を行う。前記高周波スイッチ41は、送信と受信との経路を時間的に切り換えるスイッチである。
帯域通過フィルタ42は、UWBの送受信信号の帯域を通過させ、帯域外の信号をシャープに減衰させる本発明の帯域通過フィルタである。この機能により、送受信信号を減衰させることなく、他のシステムとの相互干渉を防止することができる。
The
The band-
以上で、本発明の実施の形態を説明したが、本発明の実施は、前記の形態に限定されるものではなく、本発明の範囲内で種々の変更を施すことが可能である。 Although the embodiments of the present invention have been described above, the embodiments of the present invention are not limited to the above-described embodiments, and various modifications can be made within the scope of the present invention.
図1の回路構成にて形成した帯域通過フィルタの通過特性と反射特性を、Agilent Technologies社製のベクトルネットワークアナライザ8719ESを用いて測定した。
その結果、図7に示すように、通過特性S21及び反射特性S11のグラフが得られた。
図7によると、3.16GHz(m1で示す)から4.75GHz(m2で示す)の約1.5GHzの帯域内で通過損失が1.5dB未満である。また、W−LANのIEEE.802.11bが存在する2.5GHz(m3で示す)において30dB以上の減衰が得られた。従って、約0.6GHzの狭い周波数帯域で20dB以上の減衰量が得られている。一方、W−LANのIEEE.802.11.aが存在する5.15GHz(m4で示す)において38dBの高い減衰量を示しており、約0.4GHzの狭い周波数帯域で20dB以上の減衰量が得られている。さらに周波数5.15GHz以上においても20dB以上の減衰量を10GHzまでにわたって示した。
The pass characteristics and reflection characteristics of the bandpass filter formed with the circuit configuration of FIG. 1 were measured using a vector network analyzer 8719ES manufactured by Agilent Technologies.
As a result, as shown in FIG. 7, a graph of transmission characteristics S21 and reflection characteristics S11 was obtained.
According to FIG. 7, the passing loss is less than 1.5 dB within a band of about 1.5 GHz from 3.16 GHz (indicated by m1) to 4.75 GHz (indicated by m2). W-LAN IEEE. An attenuation of 30 dB or more was obtained at 2.5 GHz (indicated by m3) where 802.11b exists. Therefore, an attenuation of 20 dB or more is obtained in a narrow frequency band of about 0.6 GHz. On the other hand, W-LAN IEEE. 802.11. A high attenuation of 38 dB is shown at 5.15 GHz (indicated by m4) where a is present, and an attenuation of 20 dB or more is obtained in a narrow frequency band of about 0.4 GHz. Furthermore, the attenuation amount of 20 dB or more was shown up to 10 GHz even at a frequency of 5.15 GHz or more.
本発明の帯域通過フィルタの厚みは0.9mmであり、小型で、1.5GHzの広帯域において低損失、通過帯域前後の0.4GHzで急峻な減衰特性を持つフィルタが実現できた。
次に、本発明の帯域通過フィルタを、Agilent Technologies社の回路シミュレータADSを用いて、誘電率9.4のセラミック基板の条件にてシミュレーションした。
The thickness of the band pass filter of the present invention is 0.9 mm, and a small filter with a low loss in a wide band of 1.5 GHz and a steep attenuation characteristic at 0.4 GHz before and after the pass band can be realized.
Next, the band-pass filter of the present invention was simulated under the condition of a ceramic substrate having a dielectric constant of 9.4 using a circuit simulator ADS manufactured by Agilent Technologies.
図8は誘電体の厚みと通過帯域内での損失の最大値との関係を示したグラフである。
図8によると、誘電率9.4、誘電体厚みが0.9mmの誘電体において、通過帯域内の損失が1.44dBとなる。また、誘電体厚み0.86mmにおいて、挿入損失が1.5dB以上となる。誘電体厚み0.9mmに換算した場合、誘電率9.83で挿入損失が1.5dBとなる。したがって、本発明の帯域通過フィルタに用いる誘電体の誘電率は、10以下であることが望ましいことが分かる。
FIG. 8 is a graph showing the relationship between the thickness of the dielectric and the maximum value of the loss within the passband.
According to FIG. 8, in a dielectric having a dielectric constant of 9.4 and a dielectric thickness of 0.9 mm, the loss in the passband is 1.44 dB. Further, when the dielectric thickness is 0.86 mm, the insertion loss is 1.5 dB or more. When converted to a dielectric thickness of 0.9 mm, the insertion loss is 1.5 dB with a dielectric constant of 9.83. Therefore, it can be seen that the dielectric constant of the dielectric used in the bandpass filter of the present invention is desirably 10 or less.
一方、誘電体厚みを1.0mmとした場合、図8より、通過帯域内での損失は1.27dBとなり、通過特性が良好となる。これは、誘電体厚み0.9mmにおいて誘電率を8.46に下げた場合と同じである。誘電体厚みを厚くすれば、フィルタの通過帯域の損失は小さくなる。しかし、近年、部品の高さは、携帯電話への搭載を考慮に入れて、1.0mm以下であることが望まれている。よって誘電体厚みは1.0mmよりも大きくすることは好ましくない。 On the other hand, when the dielectric thickness is 1.0 mm, the loss in the pass band is 1.27 dB from FIG. 8, and the pass characteristics are good. This is the same as when the dielectric constant is lowered to 8.46 at a dielectric thickness of 0.9 mm. If the dielectric thickness is increased, the loss of the pass band of the filter is reduced. However, in recent years, the height of components is desired to be 1.0 mm or less in consideration of mounting on mobile phones. Therefore, it is not preferable to make the dielectric thickness larger than 1.0 mm.
以上のことより本発明の帯域通過フィルタは、上下面グランドの間隔は1.0mm以下であることが望ましい。
ここでの検証には、Q=163の共振器を用いた。
図9は本発明の通過帯域フィルタの挿入損失と、分布定数線路のQの関係を示した図である。分布定数線路のQ値を上げることで、帯域通過フィルタの損失が小さくなることがわかる。分布定数線路のQ値は、線路の高周波における導電率をあげることで向上する。
As described above, in the band pass filter of the present invention, the distance between the upper and lower surface grounds is preferably 1.0 mm or less.
In this verification, a resonator with Q = 163 was used.
FIG. 9 is a diagram showing the relationship between the insertion loss of the passband filter of the present invention and the Q of the distributed constant line. It can be seen that increasing the Q value of the distributed constant line reduces the loss of the bandpass filter. The Q value of the distributed constant line is improved by increasing the conductivity at high frequency of the line.
本発明の帯域通過フィルタを回路シミュレータのADS上で構成して、通過特性を調べたところ、キャパシタ素子C5とキャパシタ素子C6の容量が0.8pFであった場合に、周波数3.16GHzから4.75GHzにおいて最大損失が−1.32dBで合ったのに対して、キャパシタ素子C5とキャパシタ素子C6の容量を0.4pFとしたところ通過帯域内にリップルが存在し、帯域が狭くなり、最大損失が1.68dBとなった。一方、キャパシタ素子C5とキャパシタ素子C6の容量を1.5pFとしたところ、減衰の急峻性が失われて3.1GHz未満の減衰量が高くなり、その現象につられて3.16GHzの通過特性が1.66dBへと悪化した。 When the band pass filter of the present invention is configured on the ADS of the circuit simulator and the pass characteristics are examined, when the capacitance of the capacitor element C5 and the capacitor element C6 is 0.8 pF, the frequency is changed from 3.16 GHz to 4.16 GHz. Whereas the maximum loss is -1.32 dB at 75 GHz, when the capacitances of the capacitor element C5 and the capacitor element C6 are 0.4 pF, ripples are present in the passband, the band is narrowed, and the maximum loss is It was 1.68 dB. On the other hand, when the capacitances of the capacitor element C5 and the capacitor element C6 are 1.5 pF, the steepness of attenuation is lost and the attenuation amount is less than 3.1 GHz, and accordingly, the pass characteristic of 3.16 GHz is increased. Deteriorated to 1.66 dB.
以上のことから、また、本発明の帯域通過フィルタは、前記キャパシタ素子C5及び前記キャパシタ素子C6の静電容量は0.5pF以上1.5pF未満であることが望ましい。
なお、ここでは通過帯域として、UWBの一方式であるMB−OFDM方式を例にしてあげたが、別の方式であるDS−CDMA方式の低周波側の通過帯域である3.1GHzから4.9GHzにおいても同様に議論できる。本発明の帯域通過フィルタの、第1から第6の共振器の長さ、第1〜第10のキャパシタ素子の容量を調整することによって、DS−CDMA方式のUWBにおいても用いることが可能になる。
From the above, it is desirable that the capacitor elements C5 and C6 have a capacitance of 0.5 pF or more and less than 1.5 pF in the bandpass filter of the present invention.
In this example, the MB-OFDM method, which is one of UWB, is taken as an example of the passband. However, from 3.1 GHz to 4. GHz, which is a passband on the low frequency side of another method, the DS-CDMA method. The same discussion can be made at 9 GHz. By adjusting the lengths of the first to sixth resonators and the capacities of the first to tenth capacitor elements of the band-pass filter of the present invention, it can be used in a DS-CDMA UWB. .
21:第1の共振器、22:第2の共振器、23:第3の共振器、24:第4の共振器、25:第5の共振器、26:第6の共振器、C1:第1のキャパシタ素子、C2:第2のキャパシタ素子、C3:第3のキャパシタ素子、C4:第4のキャパシタ素子、C5:第5のキャパシタ素子、C6:第6のキャパシタ素子、C7:第7のキャパシタ素子、C8:第8のキャパシタ素子、C9:第9のキャパシタ素子、C10:第10のキャパシタ素子、17:誘電体、E1〜E3:グランド電極、IN:入力電極、OUT:出力電極、27〜36:配線パターン 21: 1st resonator, 22: 2nd resonator, 23: 3rd resonator, 24: 4th resonator, 25: 5th resonator, 26: 6th resonator, C1: 1st capacitor element, C2: 2nd capacitor element, C3: 3rd capacitor element, C4: 4th capacitor element, C5: 5th capacitor element, C6: 6th capacitor element, C7: 7th Capacitor element, C8: eighth capacitor element, C9: ninth capacitor element, C10: tenth capacitor element, 17: dielectric, E1 to E3: ground electrode, IN: input electrode, OUT: output electrode, 27-36: Wiring pattern
Claims (11)
前記第2から前記第5の共振器は互いに電磁気的に結合され、
前記第1の共振器の非接地端と前記第2の共振器の非接地端とが第1のキャパシタ素子で容量結合され、前記第1の共振器の非接地端と前記第3の共振器の非接地端とが第2のキャパシタ素子で容量結合され、前記第4の共振器の非接地端と前記第6の共振器の非接地端とが第3のキャパシタ素子で容量結合され、前記第5の共振器の非接地端と前記第6の共振器の非接地端とが第4のキャパシタ素子で容量結合され、
前記入力部及び出力部は、第5及び第6のキャパシタ素子又は第1及び第2のインダクタ素子を介してそれぞれ前記第1及び第6の共振器に結合される帯域通過フィルタ。 Each one end of Ru is grounded, the first length is approximately 1/4 wavelength and a sixth resonator, and an input unit coupled to the ungrounded end of the first resonator, the sixth resonance of An output coupled to the non-grounded end of the vessel,
The second to fifth resonators are electromagnetically coupled to each other;
The ungrounded end of the first resonator and the ungrounded end of the second resonator are capacitively coupled by a first capacitor element, and the ungrounded end of the first resonator and the third resonator are coupled. the ungrounded terminal is capacitively coupled with the second capacitor element, and the ungrounded end of the fourth resonator and the ungrounded end of the sixth resonator is capacitively coupled with the third capacitor element, wherein ungrounded end of the fifth and the sixth resonator ungrounded end of resonator is capacitively coupled with a fourth capacitor element,
The inputs and outputs are the fifth and sixth capacitor element or the first and second of said respective through inductor element first and sixth band pass filter to be coupled to the resonator of the.
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