JP4745189B2

JP4745189B2 - 帯域通過フィルタ

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Publication number: JP4745189B2
Application number: JP2006274858A
Authority: JP
Inventors: 浩光内田; 聡泰角田; 尚史米田; 太郎平池
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2006-10-06
Filing date: 2006-10-06
Publication date: 2011-08-10
Anticipated expiration: 2026-10-06
Also published as: JP2008098727A

Description

本発明は、遅延等化機能を有しつつ、急峻な減衰特性を有する帯域通過フィルタに関する。

従来の帯域通過フィルタにおいては、減衰域にて通過量が理論上０となるいわゆる減衰極を形成することにより、減衰特性の急峻化を図ることを目的として、同フィルタを構成する共振器群のうち、非隣接共振器間を負の結合係数により結合させていた。

図９は、従来の帯域通過フィルタの構成図である。この図９の帯域通過フィルタは、外部導体５０１、隔壁５０２、副結合回路を構成する容量素子５０３、副結合回路を構成するループ状素子５０４、５０５、同軸共振器５１１〜５１８、内部導体５３１〜５３８、および入出力端子５５１ａ、５５１ｂを備えている。

この従来の帯域通過フィルタは、計８個の共振器からなる共振器群がコの字型に折り返し配置された回路構成を有しており、共振器５１３と５１６、５１２と５１７、５１１と５１８のそれぞれは、副結合、別の呼称でいえば「飛び越し結合」している。これらの副結合において、コの字型経路に沿った共振器間の結合係数とは逆極性の、いわゆる「負性結合」を適宜持たせることにより、フィルタ全体の特性において、減衰極の形成や群遅延等化を施すことが可能となることがよく知られている（例えば、特許文献１参照）。

特開２０００−２２４０３号公報

しかしながら、従来技術には次のような課題がある。
帯域通過フィルタは、一般に、同一形状の共振器を複数個用いて、それらを互いに近接配置することにより電磁結合させることで構成される。しかしながら、同一形状の共振器を単に近接させるだけでは、一般に、正の結合係数しか得ることができない。

従来の帯域通過フィルタにおいては、前述の共振器間を負の結合係数にて適宜結合させることで、減衰極の形成や遅延等化といった、より高いフィルタ機能を持たせていた。しかしながら、負の結合係数を実現するためには、図９に示したような容量素子５０３やループ状素子５０４、５０５といった部品を用いることで、結合に寄与する電磁界の位相を反転させなければならない。従って、フィルタ製造にあたり、このような別部品が必要となってしまい、フィルタ製造における部品点数が増加してしまうという問題があった。

本発明は上述のような課題を解決するためになされたもので、共振器間の負の結合係数を一切用いることなく減衰極を形成し、かつ遅延等化までも行う簡素かつ高性能な帯域通過フィルタを得ることを目的とする。

本発明に係る帯域通過フィルタは、互いに結合する複数個の共振器が行方向に一列に配置された第１の共振器群に対して、２行×３列に配置された計６個の共振器が互いに結合する第２の共振器群を行方向で結合したものであり、前記第１の共振器群に含まれる行方向に一列に配置された共振器の中の一端の共振器と、前記第２の共振器群に含まれる２行×３列に配置された計６個の共振器の中の１行１列目の共振器とを結合させ、前記第１の共振器群に含まれる行方向に一列に配置された共振器の中の他端の共振器と、前記第２の共振器群に含まれる２行×３列に配置された計６個の共振器の中の２行１列目の共振器とに入出力端子を接続した構成を備える帯域通過フィルタであって、前記第１の共振器群および前記第２の共振器群を構成する共振器がすべて同一形状を有し、かつ、前記第１の共振器群および前記第２の共振器群に含まれる各共振器が互いに隣接する行および列にある共振器と全て同一極性の結合係数により結合されるものである。

本発明によれば、同一形状を有する複数個の共振器で構成されるとともに、ある特定のレイアウトで配置された共振器群を複数個の共振器の構成要素として含むように帯域通過フィルタを構成し、各共振器間を同一極性の結合係数により結合することにより、共振器間の負の結合係数を一切用いることなく減衰極を形成し、かつ遅延等化までも行う簡素かつ高性能な帯域通過フィルタを得ることができる。

以下、本発明の帯域通過フィルタの好適な実施の形態につき図面を用いて説明する。
本発明の帯域通過フィルタは、同一形状を有する複数個の共振器で構成されるとともに、２行×３列に配置された計６個の共振器からなる共振器群を複数個の共振器の構成要素として含み、このような特定のレイアウトで配置された共振器群に含まれる各共振器が互いに隣接する行および列にある共振器と全て同一極性の結合係数により結合され、かつ共振器群を除く残りの共振器同士もまた同一極性の結合係数により結合されることを特徴とするものである。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１による帯域通過フィルタを示す図である。この図１の帯域通過フィルタは、金属筐体１０１、金属ネジ１０２、支持台１０３、複数の誘電体共振器１１１〜１２０、結合窓１３１〜１４１、および同軸線路プローブ１５１ａ、１５１ｂを備えている。

ここで、複数の誘電体共振器１１１〜１２０は、全て同一の形状を有する。また、これらの中の６個の誘電体共振器１１５〜１２０は、共振器群を構成する２行×３列に配置された計６個の共振器であり、特定のレイアウトで配置された共振器群に相当する。

また、金属ネジ１０２は、誘電体共振器１１１〜１２０の共振周波数を調整するためのネジである。また、支持台１０３は、誘電体共振器１１１〜１２０を固定するための低誘電率素材である。また、同軸線路プローブ１５１ａ、１５１ｂは、フィルタの最外端にある２つの誘電体共振器１１１および１２０を励振し、フィルタの入出力端子となるプローブである。

さらに、金属筐体１０１には、誘電体共振器１１１〜１２０を電磁結合させるための結合窓１３１〜１４１が設けられている。特に、２行×３列に配置された誘電体共振器１１５〜１２０による共振器群においては、隣接する行、列にある共振器が互いに電磁結合するように、結合窓１３５〜１４１が設けられている。

次に、このような構成を有する本実施の形態１による帯域通過フィルタの動作について説明する。この帯域通過フィルタを構成する共振器は、全てＴＥ_０１δモードで共振し、共振器間は、磁界により結合するため、その結合係数は、全て正となる。図２は、本発明の実施の形態１による帯域通過フィルタの等価回路を示す図である。図２に示すように、帯域通過フィルタは、一般に、複数個の共振器を互いに結合させ、さらに、いずれかの共振器に入出力端子を結合させることにより構成される。

そして、フィルタの通過特性は、各共振器間の結合度を表す結合係数、および入出力端子と共振器間の結合度に対応するパラメータである外部Ｑにより決定される。本実施の形態１においては、共振器間の結合係数が全て同一極性となっており、共振器間の電磁結合は、全て磁界結合となる。

図３は、本発明の実施の形態１における図２の等価回路を複数の要素機能回路に概念的に分解した図である。この図３に示すように、本実施の形態１による帯域通過フィルタは、Ａ部、Ｂ部、Ｃ部によって構成されると見なすことができる。ここで、Ａ部は、複数個の共振器が一列に配置されて本フィルタの中心をなす部分である。また、Ｂ部は、Ａ部に含まれる共振器に接続された分枝とみなせる２つの共振器群からなる部分である。さらに、Ｃ部は、Ａ部に含まれる共振器とともに、計４個の互いに結合する共振器群からなる部分である。

図４ａは、本発明の実施の形態１における図３に示した要素機能回路のＡ部の典型的な通過特性および群遅延特性を示す図である。この図４ａに示す回路構成は、一般に広く用いられるＲＦ帯のチェビシェフ形フィルタと同一のものであり、その特性も、図４ａに示すように、チェビシェフ形フィルタに準じたものとなる。つまり、通過特性は、単峰性の周波数特性を呈し、群遅延特性は、凹型の周波数特性を呈する。

一方、図４ｂは、本発明の実施の形態１における図３に示した要素機能回路のＢ部の典型的な通過特性および群遅延特性を示す図である。Ｂ部は、互いに結合する２つの共振器が、入出力信号が伝搬する主経路上にある共振器に対して結合したものと見なすことができる。互いに結合する２つの共振器は、一般に、そのインピーダンスの零点、あるいは極が周波数軸上で２つ生じることを考えると、Ｂ部の通過特性は、図４ｂに示すように、２つの減衰極を呈することが理解される。

また、図４ｃは、本発明の実施の形態１における図３に示した要素機能回路のＣ部の典型的な通過特性および群遅延特性を示す図である。Ｃ部の回路は、前述したＡ部の回路にて共振器の個数を４としたうえで、入出力端の共振器間のいわゆる飛び越し結合を付加したものと見なすことができる。Ｃ部のような回路は、その飛び越し結合の結合係数が負となる場合には、通過特性に減衰極が形成され、群遅延特性は、凹型の周波数特性となる。一方、その結合係数が正の場合には、通過特性の周波数選択性が劣化するものの、群遅延特性は、凸型の特性を呈するようになる。

最終的に、本実施の形態１による帯域通過フィルタの特性は、図４ａ〜図４ｃに示した各特性を重ね合わせたようになると近似的に考えることができる。したがって、本実施の形態１に含まれる２行×３列に配置した計６個の共振器からなる共振器群は、減衰極の形成と遅延等化器としての役割を果たしているといえる。このことを、図５、６を用いて、次に説明する。

図５は、本発明の実施の形態１の図２に示す等価回路におけるパラメータの数値例をまとめたものである。また、図６は、本発明の実施の形態１の通過帯域フィルタに対して図５に示すパラメータ値を用いたときの通過、反射特性および群遅延特性を示した図である。なお、ここでのパラメータは、結合係数ｋと外部Ｑである。

この図６において、実線は、本発明の通過帯域フィルタの周波数特性を示し、破線は、従来のチェビシェフ形フィルタの周波数特性を示している。この図６に示したように、本実施の形態１による帯域通過フィルタによれば、共振器間の負の結合係数を一切用いることなく減衰極が形成されるとともに、群遅延偏差の平坦性も改善されていることがわかる。

以上のように、実施の形態１によれば、複数個の共振器として、同一形状を有する誘電体共振器を用いるとともに、２行×３列に配置され、その結合経路が格子形状をなす計６個の誘電体共振器からなる共振器群を複数個の共振器の構成要素として含み、このような特定のレイアウトで配置された共振器群ならびにそれ以外の全ての誘電体共振器間における結合係数を正として帯域通過フィルタを構成することにより、減衰極と遅延等化機能を有する高性能な帯域通過フィルタを得ることができる。

さらに、一般に、別部品を用いることで実現する必要がある負の共振器間結合係数が一切不要となるため、フィルタ製造時の部品点数の増加を回避し、回路構成の簡素化を図ることができる。

実施の形態２．
先の実施の形態１においては、複数個の共振器として誘電体共振器を用いた帯域通過フィルタについて説明した。本実施の形態２においては、誘電体共振器の代わりに同軸線路共振器を用いた帯域通過フィルタについて説明する。

図７は、本発明の実施の形態２による帯域通過フィルタを示す図である。この図７の帯域通過フィルタは、金属筐体２０１、金属ネジ２０２、複数の同軸線路共振器２１１〜２２０、結合窓２３１〜２４１、および同軸線路プローブ２５１ａ、２５１ｂを備えている。

ここで、複数の同軸線路共振器２１１〜２２０は、全て同一の形状を有する。また、これらの中の６個の同軸線路共振器２１５〜２２０は、共振器群を構成する２行×３列に配置された計６個の共振器であり、特定のレイアウトで配置された共振器群に相当する。

また、金属ネジ２０２は、同軸線路共振器２１１〜２２０の共振周波数を調整するためのネジである。また、同軸線路プローブ２５１ａ、２５１ｂは、フィルタの最外端にある２つの同軸線路共振器２１１および２２０を励振し、フィルタの入出力端子となるプローブである。

さらに、金属筐体２０１には、同軸線路共振器２１１〜２２０を電磁結合させるための結合窓２３１〜２４１が設けられている。特に、２行×３列に配置された同軸線路共振器２１５〜２２０による共振器群においては、隣接する行、列にある共振器が互いに電磁結合するように、結合窓２３５〜２４１が設けられている。

次に、このような構成を有する本実施の形態２による帯域通過フィルタの動作について説明する。本実施の形態２においては、複数個の共振器として、先の実施の形態１で用いた誘電体共振器の代わりに同軸線路共振器を用いており、いわゆるコムラインフィルタとして構成したものである。このようなコムラインフィルタにおいては、それぞれの同軸線路共振器間が磁界結合することから、本実施の形態２における共振器間の結合は、全て正となる。

さらに、本実施の形態２は、先の実施の形態１と同様に、２行×３列の互いに結合した共振器群を含むことから、前述した動作原理と同様に、本実施の形態２もまた、共振器間の負の結合係数を一切用いることなく、減衰極の形成と遅延等化を実現できることになる。

以上のように、実施の形態２によれば、複数個の共振器として、同一形状を有する同軸線路共振器を用いるとともに、２行×３列に配置され、その結合経路が格子形状をなす計６個の同軸線路共振器からなる共振器群を複数個の共振器の構成要素として含み、このような特定のレイアウトで配置された共振器群ならびにそれ以外の全ての同軸線路共振器をコムライン状に配置し、それらの間における結合係数を正として帯域通過フィルタを構成することにより、減衰極と遅延等化機能を有する高性能な帯域通過フィルタを得ることができる。

さらに、一般に、別部品を用いることで実現する必要のある負の共振器間結合係数が一切不要となるため、フィルタ製造時の部品点数の増加を回避し、回路構成の簡素化を図ることができる。

なお、上述の図７は、同軸線路を用いた場合について例示しているが、同軸線路の代わりにサスペンデッド線路を用いることも可能である。さらに、コムラインフィルタとして構成するのではなく、インターディジタルフィルタとして構成することも可能である。

実施の形態３．
先の実施の形態１においては、複数個の共振器として誘電体共振器を用いた帯域通過フィルタについて説明した。また、先の実施の形態２においては、複数個の共振器として同軸線路共振器を用いた帯域通過フィルタについて説明した。次に、本実施の形態３においては、複数個の共振器として導波管共振器を用いた帯域通過フィルタについて説明する。

図８は、本発明の実施の形態３による帯域通過フィルタを示す図である。この図８の帯域通過フィルタは、円筒導波管からなるＴＥ_０１１モード共振器３１１〜３１７、結合窓３３１〜３３８、３３９ａ、３３９ｂ、および矩形導波管３５１ａ、３５１ｂを備えている。

ここで、複数のＴＥ_０１１モード共振器３１１〜３１７は、全て同一の形状を有する。また、これらの中の６個のＴＥ_０１１モード共振器２１２〜２１７は、共振器群を構成する２行×３列に配置された計６個の共振器であり、特定のレイアウトで配置された共振器群に相当する。

また、矩形導波管３５１ａ、３５１ｂは、フィルタの最外端にある２つのＴＥ_０１１モード共振器３１１および３１７を励振し、フィルタの入出力端子となる。そして、ＴＥ_０１１モード共振器３１１と矩形導波管３５１ａ、およびＴＥ_０１１モード共振器３１７と矩形導波管３５１ｂのそれぞれは、壁面に設けられたそれぞれの結合窓３３９ａ、３３９ｂにより電磁結合されている。

さらに、ＴＥ_０１１モード共振器３１１〜３１７の壁面には、ＴＥ_０１１モード共振器３１１〜３１７を電磁結合させるための結合窓３３１〜３３８が設けられている。特に、２行×３列に配置されたＴＥ_０１１モード共振器３１２〜３１７による共振器群においては、隣接する行、列にある共振器が互いに電磁結合するように、結合窓３３２〜３３８が設けられている。

次に、このような構成を有する本実施の形態３による帯域通過フィルタの動作について説明する。本実施の形態３においては、複数個の共振器として、先の実施の形態１で用いた誘電体共振器、あるいは先の実施の形態２で用いた同軸線路共振器の代わりに、円筒導波管からなるＴＥ_０１１モード共振器を用いたものである。

ＴＥ_０１１モードは、図８中のＴＥ_０１１モード共振器３１１内に点線として示したように、周方向に一様な電界分布を有する。このことから、図８中に示すように、それと同方向の電界成分を有するＴＥ_１０モードの矩形導波管を接続することにより、ＴＥ_０１１モード共振が励振されるとともに、隣接する共振器間もまた、互いに結合することとなる。

このとき、全てのＴＥ_０１１モード共振器およびその結合機構は、同一形状を有するため、その結合係数の極性は、全て同一となる。また、本実施の形態３は、先の実施の形態１、２と同様に、２行×３列の互いに結合した共振器群を含むことから、前述した動作原理と同様に、本実施の形態３もまた、共振器間の負の結合係数を一切用いることなく、減衰極の形成と遅延等化を実現できることになる。

以上のように、実施の形態３によれば、複数個の共振器として、同一形状を有する導波管共振器を用いるとともに、２行×３列に配置され、その結合経路が格子形状をなす計６個の導波管共振器からなる共振器群を複数個の共振器の構成要素として含み、このような特定のレイアウトで配置された共振器群ならびにそれ以外の全ての導波管共振器における結合係数の極性を全て同一として帯域通過フィルタを構成することにより、減衰極と遅延等化機能を有する高性能な帯域通過フィルタを得ることができる。

本発明の実施の形態１による帯域通過フィルタを示す図である。本発明の実施の形態１による帯域通過フィルタの等価回路を示す図である。本発明の実施の形態１における図２の等価回路を複数の要素機能回路に概念的に分解した図である。本発明の実施の形態１における図３に示した要素機能回路のＡ部の典型的な通過特性および群遅延特性を示す図である。本発明の実施の形態１における図３に示した要素機能回路のＢ部の典型的な通過特性および群遅延特性を示す図である。本発明の実施の形態１における図３に示した要素機能回路のＣ部の典型的な通過特性および群遅延特性を示す図である。本発明の実施の形態１の図２に示す等価回路におけるパラメータの数値例をまとめたものである。本発明の実施の形態１の通過帯域フィルタに対して図５に示すパラメータ値を用いたときの通過、反射特性および群遅延特性を示した図である。本発明の実施の形態２による帯域通過フィルタを示す図である。本発明の実施の形態３による帯域通過フィルタを示す図である。従来の帯域通過フィルタの構成図である。

符号の説明

１０１金属筐体、１０２金属ネジ、１０３支持台、１１１〜１２０誘電体共振器、１３１〜１４１結合窓、１５１ａ、１５１ｂ同軸線路プローブ、２０１金属筐体、２０２金属ネジ、２１１〜２２０同軸線路共振器、２３１〜２４１結合窓、２５１ａ、２５１ｂ同軸線路プローブ、３１１〜３１７ＴＥ_０１１モード共振器（導波管共振器）、３３１〜３３８、３３９ａ、３３９ｂ結合窓、３５１ａ、３５１ｂ矩形導波管。

Claims

互いに結合する複数個の共振器が行方向に一列に配置された第１の共振器群に対して、２行×３列に配置された計６個の共振器が互いに結合する第２の共振器群を行方向で結合したものであり、前記第１の共振器群に含まれる行方向に一列に配置された共振器の中の一端の共振器と、前記第２の共振器群に含まれる２行×３列に配置された計６個の共振器の中の１行１列目の共振器とを結合させ、前記第１の共振器群に含まれる行方向に一列に配置された共振器の中の他端の共振器と、前記第２の共振器群に含まれる２行×３列に配置された計６個の共振器の中の２行１列目の共振器とに入出力端子を接続した構成を備える帯域通過フィルタであって、
前記第１の共振器群および前記第２の共振器群を構成する共振器がすべて同一形状を有し、かつ、前記第１の共振器群および前記第２の共振器群に含まれる各共振器が互いに隣接する行および列にある共振器と全て同一極性の結合係数により結合される
ことを特徴とする帯域通過フィルタ。
請求項１に記載の帯域通過フィルタにおいて、
前記第１の共振器群および前記第２の共振器群を構成する共振器のそれぞれは、金属筐体に収納された円筒形あるいは直方形の誘電体共振器で構成され、前記金属筐体内に設けられた結合窓により各共振器間が結合されることを特徴とする帯域通過フィルタ。
請求項１に記載の帯域通過フィルタにおいて、
前記第１の共振器群および前記第２の共振器群を構成する共振器のそれぞれは、金属筐体に収納された同軸線路あるいはサスペンデッド線路からなる共振器で構成され、前記金属筐体内に設けられた結合窓により各共振器間が電磁結合されることを特徴とする帯域通過フィルタ。
請求項１に記載の帯域通過フィルタにおいて、
前記第１の共振器群および前記第２の共振器群を構成する共振器のそれぞれは、導波管共振器で構成され、前記導波管共振器の壁面に設けられた結合窓により各共振器間が結合されることを特徴とする帯域通過フィルタ。