JP4698639B2 - 高周波フィルタ - Google Patents

Description

この発明は、主にマイクロ波帯及びミリ波帯において用いられる高周波フィルタに関するものである。

従来の高周波フィルタとして、２つの直交するモードの電磁波を結合させて帯域通過の特性を得ることができるフィルタをデュアルモードフィルタがある（例えば、非特許文献１参照）。このフィルタは、１つの閉回路で２段のフィルタに相当する機能を有することから、回路の小形化に適した構成であることが一般に知られている。

Lei SHU and Ke WU "A joint field／circuit design model of microstrip ring dual-mode filter : Theory and experiments" (1997 Asia Pacific Microwave Conference, pp. 865-868)

一般に、通過帯域における共振の次数が高い方が急峻な周波数特性が得られることが知られているが、微小な摂動素子を用いる従来のデュアルモードフィルタを適用する場合、奇モードと隅モードの両モードの電磁波とも、通過帯域において１次共振し、２次以上の高次な共振によって通過帯域を実現することはできない。一般的には、閉回路の代わりにｎλ_０（ｎは１以上の整数）の線路長を有する閉じた伝送線路で構成されるｎ波長閉回路を用い、入出力結合手段を介して入出力線路を適切な箇所へ電磁界結合してデュアルモードフィルタを構成した場合において、奇モードと隅モードの両モードの電磁波とも、通過帯域にいてｎ次共振し、（ｎ＋１）次以上の高次な共振によって通過帯域を実現することはできないと言える。つまり、従来例の回路構成では、通過帯域における奇モードと隅モードの両電磁波の共振の次数は同じであり、より高次な共振を用いた急峻な周波数特性を得ることが困難である。

また、トリプレート線路等の多層基板構造で回路を構成する際、不要モードである平行平板モードを抑圧する目的で、貫通ビア等の、基板の上下に配置された地導体の接続手段を、使用周波数における１／２波長以下の間隔で配置する必要があることが一般に知られているが、高誘電体基板を用いる場合や、ミリ波等の比較的高い周波数において回路を構成する場合、波長短縮の影響が顕著となり、製造上の制約から閉回路を構成する閉じた伝送線路の内側へ、貫通ビア等の、基板の上下に配置された地導体の接続手段を配置できず、平行平板モードの抑圧が困難になる問題がある。

この発明は上述した点に鑑みてなされたもので、通過帯域において従来例よりも高次な共振による通過帯域の実現を可能とし、より急峻な特性を得ることができる高周波フィルタを得ることを目的とする。

この発明に係る高周波フィルタは、通過帯域の中心周波数における波長の略整数倍の線路長を有する閉じた伝送線路からなる閉回路と、前記閉回路の異なる部位にて入出力結合手段を介して前記閉回路とそれぞれ電磁界結合する２つの入出力線路と、前記中心周波数における１／４波長の略奇数倍の線路長を有し、前記入出力結合手段の位置と前記閉回路の形状とから定まる回路の線対称面が前記伝送線路と交差する２つの部位にて前記閉回路へそれぞれ接続される２つの共振周波数調整手段を構成する先端開放スタブとを備え、前記先端開放スタブの形状を調整して前記中心周波数における１／４波長の略奇数倍の線路長を増減させることで、通過帯域における３次共振による急峻な周波数特性を実現するものである。

この発明によれば、通過帯域において従来例よりも高次な共振による通過帯域の実現を可能とし、より急峻な特性を得ることができる。

実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１による高周波フィルタを示す構成図である。実施の形態１による高周波回路は、通過帯域の中心周波数における波長の略整数倍の線路長を有する閉じた伝送線路からなる閉回路１と、閉回路１の異なる部位にて入出力結合手段３（３ａ，３ｂを総称する）を介して閉回路１とそれぞれ電磁界結合する２つの入出力端子４（４ａ，４ｂを総称する）に接続される図示しない入出力線路と、中心周波数における１／４波長の略奇数倍の線路長を有し、入出力結合手段３の位置と閉回路１の形状とから定まる回路の線対称面が伝送線路と交差する２つの部位にて閉回路１へそれぞれ接続される２つの共振周波数調整手段を構成する先端開放スタブ２（２ａ，２ｂを総称する）とを備える。

図１に示す高周波フィルタにおいて、閉回路１は、２波長の線路長を有する閉じた伝送線路であり、伝送線路１ａ、伝送線路１ｂ、伝送線路１ｃ、伝送線路１ｄの順で線路経路が閉じるように接続して構成している。周波数ｆ_０における波長をλ_０として、閉回路１の周長は略２λ_０であり、伝送線路１ａ、伝送線路１ｂ、伝送線路１ｃ、伝送線路１ｄの各線路長は、それぞれ、略３λ_０／４、略３λ_０／４、略λ_０／４、略λ_０／４で、先端開放スタブ２の線路長は略λ_０／４である。

図１よりわかるように、本実施の形態１の高周波フィルタは、伝送線路１ａと伝送線路１ｄの接続箇所に入出力結合手段３ａを介して入出力端子４ａを電磁界結合し、同様に、伝送線路１ｂと伝送線路１ｃの接続箇所に入出力結合手段３ｂを介して入出力端子４ｂを電磁界結合するとともに、伝送線路１ａと伝送線路１ｂの接続箇所に先端開放スタブ２ａを接続し、同様に、伝送線路１ｃと伝送線路１ｄの接続箇所に、先端開放スタブ２ｂを接続して構成している。

次に、本実施の形態１による高周波フィルタの動作について説明する。一般に、電磁波には奇モードと偶モードの直交する２つのモードが存在し、対称な回路における対称面は、奇モードの電磁波に対して電気壁と等価となり、偶モードの電磁波に対して磁気壁と等価となることが知られている。

まず、奇モードの電磁波を考えると、図１の回路の対称面は電気壁と等価となって短絡端として作用するので、図１の回路は図２に示す回路と等価となる。図２の回路は、線路長λ_０を有する伝送線路の両端を短絡端とし、伝送線路１ｄの対称面側の線路端からλ_０／４の箇所に入出力結合手段３ａを介して入出力端子４ａを電磁界結合した回路で、対称面を節とする定常波が存在し得る周波数において共振条件を満たす。共振条件について、波長が大きい場合から考えると、図２の回路は周波数ｆ_０のときに２回目の共振条件を満たすことから、図２の回路は周波数ｆ_０において２次共振すると言える。

次に、偶モードの電磁波を考えると、図１の回路の対称面は磁気壁と等価となって開放端として作用するので、図１の回路は図３に示す回路と等価となる。図３の回路は、線路長λ_０を有する伝送線路の両端に、先端開放スタブ２の半分の線路幅を有する先端開放スタブを接続し、伝送線路１ｄの対称面側の線路端からλ_０／４の箇所に入出力結合手段３ａを介して入出力端子４ａを電磁界結合した回路で、先端開放スタブ２ａ、２ｂの各開放端を腹とする定常波が存在し得る周波数において共振条件を満たす。共振条件について、波長が大きい場合から考えると、図３の回路において先端開放スタブ２の線路長を丁度λ_０／４とした回路は、周波数ｆ_０のときに３回目の共振条件を満たすことから、図３の回路は、周波数ｆ_０から若干シフトした周波数ｆ_eveｎにおいて３次共振すると言える。また、周波数ｆ_eveｎは先端開放スタブ２の形状により調整することができ、先端開放スタブ２の線路長がλ_０／４よりも若干長いときは周波数ｆ_０から若干低域側へシフトした周波数となり、先端開放スタブ２の線路長がλ_０／４よりも若干短いときは周波数ｆ_０から若干高域側へシフトした周波数となる。

よって、本実施の形態１による高周波フィルタは、周波数ｆ_０において奇モードの電磁波が２次共振し、周波数ｆ_eveｎにおいて偶モードの電磁波が３次共振する。そして、入出力結合手段３の調整により、それぞれ前記周波数で共振する奇モードと偶モードの電磁波を適切に結合させることで、先端開放スタブ２の線路長がλ_０／４よりも若干長いときは図４に示す周波数特性を得ることができ、先端開放スタブ２の線路長がλ_０／４よりも若干短いときは図５に示す周波数特性を得ることができる。図４、図５において、実線は本実施の形態による高周波フィルタの周波数特性で、破線は従来例の周波数特性である。図４、図５より、本実施の形態１による高周波フィルタは、先端開放スタブ２の線路長がλ_０／４よりも若干長いときは通過特性の低域側において、先端開放スタブ２の線路長がλ_０／４よりも若干短いときは通過特性の高域側において、それぞれ従来例よりも急峻な特性が得られていることがわかる。

なお、一般的には、図１の回路において、閉回路１の代わりに、ｎλ_０（ｎは１以上の整数）の線路長を有する閉じた伝送線路で構成されるｎ波長閉回路を用い、先端開放スタブ２の線路長を（２ｍ-１）λ_０／４（ｍは１以上の整数）とした場合、通過帯域において奇モードの電磁波はｎ次共振すると同時に偶モードの電磁波は（ｎ＋２ｍ-１）次共振することで、図１の回路と同様の効果が得られる。

つまり、本実施の形態１により、通過帯域において従来例では実現が困難な高次の共振による通過帯域の実現を可能とし、通過帯域の低域側、或いは高域側において従来例よりも急峻な特性を有した高周波フィルタを得ることができる。

実施の形態２．
図６は、この発明の実施の形態２による高周波フィルタを示す構成図である。図６において、図１に示す実施の形態１の構成と同一部分は同一符号を付してその説明は省略する。図６に示す実施の形態２による高周波フィルタは、図１に示す実施の形態１による高周波フィルタにおける先端開放スタブ２の代わりに、先端短絡スタブ５（５ａ、５ｂを総称する）を用いて構成されている回路である。なお、先端短絡スタブ５は、中心周波数における１／２波長の略整数倍の線路長を有し、入出力結合手段３の位置と閉回路１の形状とから定まる回路の線対称面が伝送線路と交差する２つの部位にて閉回路１へそれぞれ接続される２つの共振周波数調整手段を構成する。

次に、本実施の形態２による高周波フィルタの動作について説明する。まず、奇モードの電磁波を考えると、図６の回路の対称面は電気壁と等価となって短絡端として作用するので、図６の回路は図７に示す回路と等価となる。図７の回路は、線路長λ_０を有する伝送線路の両端を短絡端とし、伝送線路１ｄの対称面側の線路端からλ_０／４の箇所に入出力結合手段３ａを介して入出力端子４ａを電磁界結合した回路で、対称面を節とする定常波が存在し得る周波数において共振条件を満たす。共振条件について、波長が大きい場合から考えると、図７の回路は周波数ｆ_０のときに２回目の共振条件を満たすことから、図７の回路は周波数ｆ_０において２次共振すると言える。

次に、偶モードの電磁波を考えると、図６の回路の対称面は磁気壁と等価となって開放端として作用するので、図６の回路は図８に示す回路と等価となる。図８の回路は、線路長λ_０を有する伝送線路の両端に、先端短絡スタブ５の半分の線路幅を有する先端短絡スタブを接続し、伝送線路１ｄの対称面側の線路端からλ_０／４の箇所に入出力結合手段３ａを介して入出力端子４ａを電磁界結合した回路で、先端短絡スタブ５ａ、５ｂの各短絡端を節とする定常波が存在し得る周波数において共振条件を満たす。共振条件について、波長が大きい場合から考えると、図８の回路において先端短絡スタブ５の線路長を丁度λ_０／２とした回路は、周波数ｆ_０のときに４回目の共振条件を満たすことから、図３の回路は、周波数ｆ_０から若干シフトした周波数ｆ_eveｎにおいて４次共振すると言える。また、周波数ｆ_eveｎは先端短絡スタブ５の形状により調整することができ、先端短絡スタブ５の線路長がλ_０／２よりも若干長いときは周波数ｆ_０から若干低域側へシフトした周波数となり、先端短絡スタブ５の線路長がλ_０／２よりも若干短いときは周波数ｆ_０から若干高域側へシフトした周波数となる。

よって、本実施の形態２による高周波フィルタは、周波数ｆ_０において奇モードの電磁波が２次共振し、周波数ｆ_eveｎにおいて偶モードの電磁波が４次共振する。そして、入出力結合手段３の調整により、それぞれ前記周波数で共振する奇モードと偶モードの電磁波を適切に結合させることで、図４、図５で示した実施の形態１による高周波フィルタの特性と同様に、先端短絡スタブ５の線路長がλ_０／２よりも若干長いときは、通過帯域の低域側で従来例よりも急峻な特性が得られ、先端短絡スタブ５の線路長がλ_０／２よりも若干短いときは、通過帯域の高域側で従来例よりも急峻な特性が得られる。

なお、一般的には、図６の回路において、閉回路１の代わりにｎλ_０（ｎは１以上の整数）の線路長を有する閉じた伝送線路で構成されるｎ波長閉回路を用い、先端短絡スタブ５の線路長をｍλ_０／２（ｍは１以上の整数）とした場合、通過帯域において奇モードの電磁波はｎ次共振すると同時に偶モードの電磁波は（ｎ＋２ｍ）次共振することで、図６の回路と同様の効果が得られる。

つまり、本実施の形態２により、通過帯域において従来例では実現が困難な高次の共振による通過帯域の実現を可能とし、実施の形態１と同様に、通過帯域の低域側、或いは高域側において、従来例よりも急峻な特性を有した高周波フィルタを得ることができる。また、図１の回路と図６の回路とを比較した場合、図６の回路は、図１の回路よりも通過帯域における隅モードの共振次数が高く、図１の回路より急峻な特性が得られる。

実施の形態３．
図９は、この発明の実施の形態３による高周波フィルタを示す構成図である。図９において、図１に示す実施の形態１の構成と同一部分は同一符号を付してその説明は省略する。図９に示す実施の形態３による高周波フィルタは、図１に示した実施の形態１の高周波フィルタをマイクロストリップ線路にて構成した回路であり、図１における入出力結合手段３を直列容量回路８（８ａ及び８ｂを総称）で実現している。直列容量回路８は、２つの近接するストリップ導体９で構成している。なお、６は誘電体基板、７は地導体、１０（１０ａ及び１０ｂを総称）は入出力線路である。

一般に、ストリップ導体９を用いる基板構成では直列容量回路８の実現が容易であるため、本実施の形態３による高周波フィルタにより、実施の形態１及び２で示した高周波フィルタを容易に実現できる。

実施の形態４．
図１０は、この発明の実施の形態４による高周波フィルタを示す構成図である。図１０において、図１ないし図９に示す実施の形態１ないし３の構成と同一部分は同一符号を付してその説明は省略する。図１０に示す実施の形態４による高周波フィルタは、図１における入出力結合手段３を直列容量回路８（８ａ及び８ｂを総称）で実現し、実施の形態１の高周波フィルタを、多層基板であるトリプレート線路にて構成した回路である。なお、１１は接続手段としての貫通ビアを示す。複数の貫通ビア１１は、それぞれ誘電体基板６の内部を貫通し、地導体７ａと地導体７ｂの間を電気的に接続し、各貫通ビア１１の間隔が周波数ｆ_０における波長をλ_０として、λ_０／２以下となるように配置されており、その内の１つは、閉回路１を構成する閉じた伝送線路のストリップ導体９の内側に配置されている。

一般に、トリプレート線路等の多層基板構造で回路を構成する場合、不要モードである平行平板モードを抑圧する目的で、上下の地導体を接続する貫通ビアを、使用周波数における１／２波長以下の間隔で配置する必要があることが知られている。しかし、高誘電率基板を用いる場合や、ミリ波等の比較的高い周波数を使用周波数とする場合、波長短縮の影響が顕著となって回路が小さくなり、従来例では、製造上の制約から、貫通ビアを配置が満足にできず、平行平板モードの抑圧が困難になる問題がある。

本実施の形態４による高周波フィルタでは、閉回路１を構成する閉じた伝送線路のストリップ導体９の内側に、少なくとも１つの貫通ビア１１を配置することで、上記のような場合においても、使用周波数における１／２波長以下の間隔で貫通ビアを配置することができ、平行平板モードの抑圧を可能とする。

つまり、本実施の形態４により、高誘電体基板を用いる場合や、ミリ波等の比較的高い周波数において回路を構成する場合等、波長短縮の影響が顕著な状況において、トリプレート線路等の多層基板構造でデュアルモードフィルタを構成する際に、使用周波数の１／２波長以下の間隔で、貫通ビア等の基板の上下に配置された地導体の接続手段を配置することで、不要モードである平行平板モードの抑圧が可能な高周波フィルタを得ることができる。

この発明の実施の形態１による高周波フィルタの構成図である。 この発明の実施の形態１による高周波フィルタの奇モードに対する等価な構成図である。 この発明の実施の形態１による高周波フィルタの偶モードに対する等価な構成図である。 この発明の実施の形態１による高周波フィルタ周波数特性図である。 この発明の実施の形態１による高周波フィルタ周波数特性図である。 この発明の実施の形態２による高周波フィルタの構成図である。 この発明の実施の形態２による高周波フィルタの奇モードに対する等価な構成図である。 この発明の実施の形態２による高周波フィルタの偶モードに対する等価な構成図である。 この発明の実施の形態３による高周波フィルタの構成図である。 この発明の実施の形態４による高周波フィルタの構成図である。

符号の説明

１ 閉回路、２ａ，２ｂ 先端開放スタブ、３ａ，３ｂ 入出力結合手段、４ａ，４ｂ 入出力端子、５ａ，５ｂ 先端短絡スタブ、６ａ，６ｂ 誘電体基板、７ａ，７ｂ 地導体、８ａ，８ｂ 直列容量回路、９ ストリップ導体、１０ａ，１０ｂ 入出力線路、１１ 貫通ビア。

Claims (4)

1. 通過帯域の中心周波数における波長の略整数倍の線路長を有する閉じた伝送線路からなる閉回路と、
   前記閉回路の異なる部位にて入出力結合手段を介して前記閉回路とそれぞれ電磁界結合する２つの入出力線路と、
   前記中心周波数における１／４波長の略奇数倍の線路長を有し、前記入出力結合手段の位置と前記閉回路の形状とから定まる回路の線対称面が前記伝送線路と交差する２つの部位にて前記閉回路へそれぞれ接続される２つの共振周波数調整手段を構成する先端開放スタブと
   を備え、
   前記先端開放スタブの形状を調整して前記中心周波数における１／４波長の略奇数倍の線路長を増減させることで、通過帯域における３次共振による急峻な周波数特性を実現する
   高周波フィルタ。
2. 通過帯域の中心周波数における波長の略整数倍の線路長を有する閉じた伝送線路からなる閉回路と、
   前記閉回路の異なる部位にて入出力結合手段を介して前記閉回路とそれぞれ電磁界結合する２つの入出力線路と、
   前記中心周波数における１／２波長の略整数倍の線路長を有し、前記入出力結合手段の位置と前記閉回路の形状とから定まる回路の線対称面が前記伝送線路と交差する２つの部位にて前記閉回路へそれぞれ接続される２つの共振周波数調整手段を構成する先端短絡スタブと
   を備え、
   前記先端短絡スタブの形状を調整して前記中心周波数における１／２波長の略整数倍の線路長を増減させることで、通過帯域における４次共振による急峻な周波数特性を実現する
   高周波フィルタ。
3. 請求項１または２に記載の高周波フィルタにおいて、
   前記入出力結合手段は、容量回路にて構成される
   ことを特徴とする高周波フィルタ。
4. 請求項１から３までのいずれか１項に記載の高周波フィルタにおいて、
   前記閉回路は、ストリップ導体で構成され、
   前記ストリップ導体の上方と下方にそれぞれ設けられた２つの地導体と、
   前記ストリップ導体の内側に少なくとも１つ配置されて、前記２つの地導体を電気的に接続する接続手段と
   をさらに備えた
   ことを特徴とする高周波フィルタ。

Images