JP4784836B2 - 帯域通過フィルタ - Google Patents

Description

本発明は、特定の周波数範囲の信号のみを通過させる帯域通過フィルタ（Band PassFilter）に関する。

近年、１〜５ＧＨｚ（ギガヘルツ）帯の移動通信システムが展開されるようになり、当該帯域に対応可能な高周波回路のマイクロ波集積回路化やモノシリックマイクロ波集積回路化が要求されている。周波数がＧＨｚの領域に対応可能な、一般にＱ値（主に振動の状態をあらわす無次元数）の大きなインダクタ素子を作ることは難しい。したがって、ＧＨｚ帯の帯域通過フィルタは、ＬＣ共振器とは異なる別の構成が必要になる。たとえば、λ共振器や、デュアルモード・バンドパスフィルタとして動作させるための共振器電極などが用いられている（たとえば、特許文献１〜４を参照。）。

特開２００７−６８１２３号公報 特開２００４−１３４８９４号公報 特開２００４−１３５１０２号公報 特開２００４−３４９９６０号公報

近年の急速な通信機器の小型化にともない、通信機器に用いる各種フィルタも小型のものが要求されている。また、通信ネットワーク技術の進展にともない、大容量の情報を配線を要せずに高速に送受信することが可能なＵＷＢ（Ultra Wide Band）無線システムが普及していくことが予測されている。UWBは、超広帯域無線ともいい、500MHz以上の帯域幅を使用する無線通信比帯域幅（中心周波数に対する帯域幅）が20%以上といった非常に広い周波数帯域を使った無線伝送方式である。

しかしながら、上記各特許文献に開示されている帯域通過フィルタをはじめとする従来の帯域通過フィルタは、十分な小型化が達成されていないか、小型化は図られているもののＵＷＢ規格に対応できないという問題があった。

また、ＵＷＢ規格に対応の帯域通過フィルタでは、特に信号の通過域と阻止域との境界付近において信号の通過率変化が急峻になることが望まれる。しかしながら、従来の帯域通過フィルタでは、そのような信号の通過率特性を示すものはなかった。

本発明は、上述した従来技術による問題点を解消するため、ＵＷＢ規格に対応可能な、小型で高性能な帯域通過フィルタを提供することを目的とする。特に、信号の通過域と阻止域との境界付近において信号の通過率変化が急峻になる特性を備えた高性能な帯域通過フィルタを提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するため、請求項１の発明にかかる帯域通過フィルタは、誘電体の下面にグランド層が形成された高周波回路基板の前記誘電体の上面に、λ／４（λは波長）の長さのマイクロストリップ線路で２つのλ／２（λは波長）マイクロストリップ線路共振器が結合されて形成された一対のλ／２マイクロストリップ線路共振器が複数配置され、前記一対のλ／２マイクロストリップ線路共振器における一方のλ／２マイクロストリップ線路共振器と、他の前記一対のλ／２マイクロストリップ線路共振器における一方のλ／２マイクロストリップ線路共振器とがエッジ結合されて、斜め方向に延びるように構成されていることを特徴とする。

また、請求項２の発明にかかる帯域通過フィルタは、請求項１に記載の発明において、入力マイクロストリップ線路が前記λ／２マイクロストリップ線路共振器の一端にλ／４の長さのマイクロストリップ線路で結合され、また、出力マイクロストリップ線路が他の前記λ／２マイクロストリップ線路共振器の一端にλ／４の長さのマイクロストリップ線路で結合されていることを特徴とする。

また、請求項３の発明にかかる帯域通過フィルタは、請求項１または２に記載の発明において、次式を満足するマイクロストリップ伝送線路の理論部品で構成されていることを特徴とする。

ただし、Ｚｅは偶モードインピーダンス、Ｚｏは奇モードインピーダンスを示す。なお、信号の通過域の端の角周波数をω１，ω２、通過中心周波数をω０とするとき、信号の通過域の端の角周波数における信号の減衰量ＬＡｒが次式により求められる。

また、チェビシェフ特性パラメータｇは、

ただし、

である。また、チェビシェフ特性インバータパラメータ（Ｊ／Ｙ０）は、

である。

請求項４の発明にかかる帯域通過フィルタは、通過信号の中心波長が３．０ＧＨｚから１０．４ＧＨｚの範囲で選択されことを特徴とする前記の帯域通過フィルタである。請求項５の発明にかかる帯域通過フィルタは、請求項１〜３のいずれか一つに記載の発明において、通過信号の中心波長が４．５ＧＨｚであることを特徴とする。

また、請求項５の発明にかかる帯域通過フィルタは、請求項４に記載の発明において、１０ｄＢ阻止域が４．５ＧＨｚ±４５０ＭＨｚ、３０ｄＢ阻止域が４．５ＧＨｚ±６００ＭＨｚであることを特徴とする。

また、請求項６の発明にかかる帯域通過フィルタは、請求項１〜５のいずれか一つに記載の発明において、信号の通過域と阻止域との境界付近において信号の通過率変化が急峻になる特性を備えていることを特徴とする。また、本発明における帯域通過フィルタは、携帯基地局、地上デジタル放送基地局、地上デジタル放送中継器、無線通信機器、携帯電話端末など通信システムに組み込んでもよい。その他、UWBは、距離計測に優れた特性を有することから、各種測定装置に組み入れることが挙げられる。

本発明によれば、ＵＷＢ規格に対応可能な、小型で高性能な帯域通過フィルタを提供することができるという効果を奏する。特に、本発明の帯域通過フィルタは、信号の通過域と阻止域との境界付近において信号の通過率変化が急峻になる特性を備えた高性能なものになる。

以下、添付図面を参照して、本発明にかかる帯域通過フィルタ（Band PassFilter）の好適な実施の形態を詳細に説明する。

図１は、本発明の実施の形態にかかる帯域通過フィルタの原理を説明するための図である。本実施の形態の帯域通過フィルタ１００は、誘電体の下面にグランド層が形成された高周波回路基板の前記誘電体の上面に形成される。前記高周波回路基板は、周知のものであるためここでは図示しない。この帯域通過フィルタ１００は、λ／４の長さのマイクロストリップ線路１０１で２つのλ／２マイクロストリップ線路共振器１０２が結合されて形成された一対のλ／２マイクロストリップ線路共振器１０３が複数配置される。そして、一対のλ／２マイクロストリップ線路共振器１０３における一方のλ／２マイクロストリップ線路共振器１０２と、他の一対のλ／２マイクロストリップ線路共振器１０３における一方のλ／２マイクロストリップ線路共振器１０２とがエッジ結合されて、斜め方向に延びるように構成されている。また、入力マイクロストリップ線路１０４がλ／２マイクロストリップ線路共振器１０２の一端にλ／４の長さのマイクロストリップ線路１０１で結合され、出力マイクロストリップ線路１０５が他のλ／２マイクロストリップ線路共振器１０２の一端にλ／４の長さのマイクロストリップ線路１０１で結合されている。なお、λは波長である。また、図１中に示されている「Ｍ」は、マイクロストリップを示す。

このように、本実施の形態の帯域通過フィルタ１００は、平行結合ストリップ線路フィルタであるので、複数のλ／２マイクロストリップ線路共振器１０２を斜め方向に配置することができる。したがって、フィルタの形状が直線状に伸びることを防止できる点、小型化に有利である。

ＵＷＢ規格に対応の帯域通過フィルタでは、信号の通過域内に多少のリップルが生じても、信号の通過域と阻止域との境界付近において信号の通過率変化が急峻になる特性を備えていることが好ましい。そこで、本実施の形態の帯域通過フィルタ１００には、かかる特性を備えたいわゆるチェビシェフ・フィルタが最も適している。本実施の形態の帯域通過フィルタ１００は、以下に示す理論式を満足するマイクロストリップ伝送線路の理論部品で構成することが好ましい。

まず、信号の通過域の端の角周波数をω１，ω２、通過中心周波数をω０とするとき、信号の通過域の端の角周波数における信号の減衰量ＬＡｒは次のようになる。なお、この信号の減衰量ＬＡｒは、信号の通過特性がチェビシェフ特性（振幅波状特性）のときは、所定帯域内のリップル値になる。

また、チェビシェフ特性パラメータｇは次式のようにあらわすことができる。

ただし、

また、チェビシェフ特性インバータパラメータ（Ｊ／Ｙ０）は、次のようにあらわされる。

以上から、本実施の形態の帯域通過フィルタ１００の結合線路設計値（パターン寸法）は、次式で求められる。

ただし、Ｚｅは偶モードインピーダンス、Ｚｏは奇モードインピーダンスを示す。

上記理論式を満足するマイクロストリップ伝送線路の理論部品で構成された本実施の形態の帯域通過フィルタ１００は、信号の通過域と阻止域との境界付近において信号の通過率変化が急峻になる特性を備えることができる。このような特性は、特にＵＷＢ規格の通信機器に用いる場合に有利である。

図２は、本発明の実施の形態にかかる帯域通過フィルタの特性を示すグラフである。このグラフの横軸は周波数（単位ＧＨｚ）をあらわし、縦軸は伝達特性（単位ｄＢ）をあらわしている。また、図中、ω１，ω２は信号の通過域の端の角周波数、ω０は通過中心周波数、Ｓ１１は反射特性、Ｓ２１は通過特性、ＬＡｒは信号の通過域の端の角周波数における信号の減衰量を示している。ここで、本実施の形態では、通過信号の中心波長が４．５ＧＨｚ、１０ｄＢ阻止域が４．５ＧＨｚ±４５０ＭＨｚ、３０ｄＢ阻止域が４．５ＧＨｚ±６００ＭＨｚであることを想定している。

次に、本発明にかかる帯域通過フィルタの一実施例を示す。

（実施例１）
図３は、本発明の実施例１にかかる帯域通過フィルタの概略構成を示す図である。この実施例１では、７次のチェビシェフ・フィルタとして構成した帯域通過フィルタの一例を示している。

この実施例１の帯域通過フィルタ３００は、誘電体の下面にグランド層が形成された高周波回路基板（不図示）の前記誘電体の上面に形成される。この帯域通過フィルタ３００は、λ／４の長さのマイクロストリップ線路３０１で２つのλ／２マイクロストリップ線路共振器３０２が結合されて形成された一対のλ／２マイクロストリップ線路共振器３０３が複数配置される。そして、一対のλ／２マイクロストリップ線路共振器３０３における一方のλ／２マイクロストリップ線路共振器３０２と、他の一対のλ／２マイクロストリップ線路共振器３０３における一方のλ／２マイクロストリップ線路共振器３０２とがエッジ結合されて、斜め方向に延びるように構成されている。また、入力マイクロストリップ線路３０４がλ／２マイクロストリップ線路共振器３０２の一端にλ／４の長さのマイクロストリップ線路３０１で結合され、出力マイクロストリップ線路３０５が他のλ／２マイクロストリップ線路共振器３０２の一端にλ／４の長さのマイクロストリップ線路３０１で結合されている。なお、λは波長である。

また、図３中に示されている「ＩＬ−Ｐｈ」は、マイクロストリップ伝送線路の理論部品であることを示している。「ＩＬ」はIdealを意味し、「Ｐｈ」はPhase（位相）を意味する。また、Ｒは入出力端子のインピーダンス、Ｔｈはθ（位相：単位は度）、ＦはFrequency（周波数：単位はＧＨｚ、4.5Gで4.5GHz）、Ｚはマイクロストリップ伝送線路の特性インピーダンス（単位はΩ）、Ｚｅは偶モードインピーダンス（単位はΩ）、Ｚｏは奇モードインピーダンス（単位はΩ）を示している。

図４は、本発明の実施例１にかかる帯域通過フィルタの特性を示すグラフである。このグラフは、帯域通過フィルタ３００を前述した理論式を満足するマイクロストリップ伝送線路の理論部品で構成した場合の特性を示している。グラフの横軸は周波数（単位はＧＨｚ）をあらわし、縦軸は伝達特性（単位はｄＢ）をあらわしている。また、図中、Ｓ１１は反射特性、Ｓ２１は通過特性を示している。なお、通過信号の中心周波数は４．５ＧＨｚである。

図５は、本発明の実施例１にかかる帯域通過フィルタの特性を示すグラフである。このグラフは、図４に示したグラフのような特性を備えた帯域通過フィルタ３００において前述の理論式を再度調整し、透過域のリップル（変動）を抑え、マイクロストリップ伝送線路の伝送損失を考慮した場合の特性を示している。グラフの横軸は周波数（単位はＧＨｚ）をあらわし、縦軸は伝達特性（単位はｄＢ）をあらわしている。また、図中、Ｓ１１は反射特性、Ｓ２１は通過特性を示している。なお、通過信号の中心周波数を４．５ＧＨｚである。

以上説明したように、本実施例の帯域通過フィルタ３００は、平行結合ストリップ線路フィルタであるので、複数のλ／２マイクロストリップ線路共振器３０２を斜め方向に配置することができる。したがって、フィルタの形状が直線状に延びることを防止できる点、小型化に有利である。また、信号の通過域と阻止域との境界付近において信号の通過率変化が急峻になる特性を備えている。このような特性は、特にＵＷＢ規格の通信機器の用いる場合に有利である。

（実施例２）
図６は、本発明の実施例２にかかる帯域通過フィルタの概略構成を示す図である。ここでは、本発明によって実際に製作される帯域通過フィルタの寸法の一例を示している。図中の長方形は、λ／４の長さのマイクロストリップ線路で２つのλ／２マイクロストリップ線路共振器が結合された一対のλ／２マイクロストリップ線路共振器、またはλ／４の長さのマイクロストリップ線路で結合された入力（または出力）マイクロストリップ線路とλ／２マイクロストリップ線路共振器を示している。また、数字は各寸法をあらわし、単位はｍｍである。

また、ここに示された帯域通過フィルタにおいて、基板材料にＭＥＧＴＲＯＮ６（松下電工（株）製）を用い、基板厚は７５ｍｍ、比誘電率は３．５、誘電損失は０．００２であり、フィルタの裏面は全面がベタ電極になっている。

ここに示した一例からも、小型の帯域通過フィルタが実現できることが分かる。

以上説明したように、本発明によれば、ＵＷＢ規格に対応可能な、小型で高性能な帯域通過フィルタを提供することができる。特に、本発明の帯域通過フィルタは、信号の通過域と阻止域との境界付近において信号の通過率変化が急峻になる特性を備えた高性能なものになる。

以上のように、本発明にかかる帯域通過フィルタは、高周波帯の通信システムに有用であり、特に、ＵＷＢ規格に対応の通信機器に適している。

本発明の実施の形態にかかる帯域通過フィルタの原理を説明するための図である。 本発明の実施の形態にかかる帯域通過フィルタの特性を示すグラフである。 本発明の実施例１にかかる帯域通過フィルタの概略構成を示す図である。 本発明の実施例１にかかる帯域通過フィルタのシミュレーション測定による特性を示すグラフである。 本発明の実施例１にかかる帯域通過フィルタのシミュレーション測定による特性を示すグラフである。 本発明の実施例２にかかる帯域通過フィルタの概略構成を示す図である。

符号の説明

１００，３００ 帯域通過フィルタ
１０１，３０１ λ／４の長さのマイクロストリップ線路
１０２，３０２ λ／２マイクロストリップ線路共振器
１０３，３０３ 一対のλ／２マイクロストリップ線路共振器
１０４，３０４ 入力マイクロストリップ線路
１０５，３０５ 出力マイクロストリップ線路

Claims (9)

1. 誘電体の下面にグランド層が形成された高周波回路基板の前記誘電体の上面に、
   λ／４（λは波長）の長さのマイクロストリップ線路で２つのλ／２（λは波長）マイクロストリップ線路共振器が結合されて形成された一対のλ／２マイクロストリップ線路共振器が複数配置され、
   前記一対のλ／２マイクロストリップ線路共振器における一方のλ／２マイクロストリップ線路共振器と、他の前記一対のλ／２マイクロストリップ線路共振器における一方のλ／２マイクロストリップ線路共振器とがエッジ結合されて、斜め方向に延びるように構成されていることを特徴とする帯域通過フィルタ。
2. 入力マイクロストリップ線路が前記λ／２マイクロストリップ線路共振器の一端にλ／４の長さのマイクロストリップ線路で結合され、
   また、出力マイクロストリップ線路が他の前記λ／２マイクロストリップ線路共振器の一端にλ／４の長さのマイクロストリップ線路で結合されていることを特徴とする請求項１に記載の帯域通過フィルタ。
3. 次式を満足するマイクロストリップ伝送線路の理論部品で構成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の帯域通過フィルタ。
   

   

   ただし、Ｚｅは偶モードインピーダンス、Ｚｏは奇モードインピーダンスを示す。なお、信号の通過域の端の角周波数をω１，ω２、通過中心周波数をω０とするとき、信号の通過域の端の角周波数における信号の減衰量ＬＡｒが次式により求められる。
   

   

   また、チェビシェフ特性パラメータｇは、
   

   

   ただし、
   

   

   である。また、チェビシェフ特性インバータパラメータ（Ｊ／Ｙ０）は、
   

   

   である。
4. 通過信号の中心波長が３．０ＧＨｚから１０．４ＧＨｚの範囲で選択されことを特徴とする請求項１〜３のいずれか一つに記載の帯域通過フィルタ。
5. 通過信号の中心波長が４．５ＧＨｚであることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一つに記載の帯域通過フィルタ。
6. １０ｄＢ阻止域が４．５ＧＨｚ±４５０ＭＨｚ、３０ｄＢ阻止域が４．５ＧＨｚ±６００ＭＨｚであることを特徴とする請求項４に記載の帯域通過フィルタ。
7. 信号の通過域と阻止域との境界付近において信号の通過率変化が急峻になる特性を備えていることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一つに記載の帯域通過フィルタ。
8. 前記帯域通過フィルタを有することを特徴とする通信システム。
9. 前記帯域通過フィルタを有することを特徴とする測定システム。

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