JP4822970B2 - 分割型マイクロストリップライン共振器およびこれを用いたフィルタ - Google Patents

Description

本発明は、マイクロストリップ型共振器を用いたフィルタデバイスに関し、特に、マイクロストリップを長手軸に沿ったスリットで分割した分割型マイクロストリップ共振器と、これを用いたフィルタデバイスに関する。

近年、次世代移動通信システムや広帯域無線アクセスなど高速・大容量のデータ通信へ移行するにともない、周波数の有効利用が必要不可欠となっている。このような状況で、周波数の被干渉や与干渉の問題を解決する手段として、小型高Ｑ多段フィルタ技術の向上が望まれている。小型高Ｑ多段フィルタは、低損失で高周波数遮断特性が得られ、かつ耐電力性にも優れている。

低損失の高周波対応フィルタとして、超伝導膜のマイクロストリップ共振器を用いたフィルタが有望である。

他方、図１（ａ）に示すように、高周波の伝送において、マイクロストリップ線路のエッジ部分に電流密度が集中することはよく知られている。通常、信号層としてのマイクロストリップ線路１０２は、裏面にグランド層１０３を有する誘電体基板１０１上に形成される。電流の流れる方向をＪ、マイクロストリップ線路１０１の幅方向をＸとすると、Ｘ方向断面での電流密度分布から明らかなように、エッジ部分への電流集中が顕著である。信号線路の損失や耐電力特性はエッジ部分に支配され、エッジ部分での電流密度が臨界電流密度Ｊcを超えた場合に、超伝導状態が破れてしまう。

この問題を解決するために、図１（ｂ）に示すように、マイクロストリップ線路１０２を長手軸に沿って分割することによって、電流の分散を促進する方法が提案されている（たとえば、特許文献１および２参照）。この方法によると、マイクロストリップ線路１０２の分割部分１０２ｓの各々で、エッジ部分への若干の電流集中がみられるが、マイクロストリップ線路１０２全体としては、エッジへの電流密度の集中は臨界電流密度Ｊc以下に低減され、超伝導の高周波線路としての信頼性が維持される。

また、４ＧＨｚ帯において、パッチ共振器を幅方向に分割して電流を分散させる分散型ＭＳＬ（マイクロストリップライン）共振器の研究も行われている（たとえば、非特許文献１参照）。

今後、第４世代移動体通信基地局を想定すると、５ＧＨｚ帯での送信用超伝導フィルタにも分割型を適用して、電流密度の分散を図ることが必要になると思われる。
特開平８−３２１７０６号公報 特開平１１−１７７３１０号公報 R.R. Mansour, et al., IEEE Trans. Microwave Theory Tech., 48, 119, 2000

図１（ｂ）の分割型の構造を、λg／２共振モードのマイクロストリップ共振器に適用すると、図２（ａ）の構造になる。誘電体基板１２１上に、長手方向に沿って２つに分割されたマイクロストリップ共振器１２０が形成され、フィーダ（給電線）１２２に接続されている。マイクロストリップ共振器１２０の分割パターン１２０ａ、１２０ｂの各々は、信号波長λgの半分の長さ（λg／２）である。

この場合、あたかも同一共振周波数を有する２つの共振器が結合するかのような現象が生じ、図２（ｂ）に示すように、５ＧＨｚ帯で共振周波数が２つに分かれる。このような共振器１２０を用いてフィルタを設計すると、所望の通過帯域の近傍でもうひとつの共振モードが発生してしまうため、シングルバンドのフィルタで問題となる。また、２つの共振間の周波数において、互いの共振モードの影響で急峻性（Ｑ値）が劣化してしまう。一方、広帯域通信の場合も、ひとつのフィルタでターゲットとする帯域内に２つの共振が生じるため、信号分離が正しくできないという問題がある。

そこで、λg／２共振モードの分割型共振器の電流分散効果を維持しつつ、所望の帯域内にシングルモードの共振を生じさせることができる分割型共振器の提供を目的とする。

また、このような共振器を通信用フィルタに適用し、電流集中を回避し、急峻な周波数選択性を有するマイクロストリップフィルタを提供することを課題とする。

上記課題を解決するために、本発明は、長手方向に沿って分割された分割型マイクロストリップライン（ＭＳＬ）共振器の一方の端部で、すべての分割部分を連結する。

具体的には、第１の側面では、分割型ＭＳＬ共振器は、
（ａ）誘電体基板上に形成され、長手方向に沿った１以上のスリットで複数のサブラインに分割されるマイクロストリップ線路と、
（ｂ）前記マイクロストリップ線路の一端側で、前記複数のサブラインのすべてを連結する連結部と
を有する。

好ましい構成例では、マイクロストリップ線路と連結部は、超伝導材料で形成されている。

別の構成例として、複数のサブラインを連結する連結部は、曲線状に形成されている。あるいは、スリットのコーナー部が連結部において丸く形成されている。

さらに別の構成例として、前記スリットは、前記連結部でのコーナー部分が丸く形成されている。

第２の側面では、上記の分割型ＭＳＬ共振器を用いたマイクロストリップフィルタを提供する。マイクロストリップフィルタは、
（ａ）誘電体基板と、
（ｂ）前記誘電体基板上に形成される分割型マイクロストリップラインの共振器パターンと、
（ｃ）前記誘電体基板上に形成され、前記共振器パターンの近傍へ延びる給電線と
を備え、前記共振器パターンは、長手方向に沿った１以上のスリットで分割される複数のサブラインと、前記共振器の一端側で、前記複数のサブラインのすべてを連結する連結部と、を含む。

好ましい構成例では、共振器パターンおよび給電線は超伝導材料で形成されている。

複雑な手段を付加することなく、帯域内で共振モードが１つとなる。また、λg／２共振モードの共振器の電流分散効果を維持しつつ、急峻な周波数選択性を有するフィルタが実現できる。

以下、図３〜図８を参照して、本発明の良好な実施形態を説明する。

図３は本発明の原理を説明するための図であり、図３（ａ）は分割型ＭＳＬ共振器２０の回路パターン、図３（ｂ）はその周波数特性である。

誘電体基板１１上に形成される分割型ＭＳＬ共振器２０は、長手方向に沿ったスリット１４で２つのサブライン１２ａ、１２ｂに分割されるマイクロストリップ線路１２と、これらのサブライン１２ａ、１２ｂを一方の端部で連結する連結部１５を有する。分割型ＭＳＬ共振器２０に、フィーダ（給電線）１３が接続される。連結部１５で端部を連結することによって、ターゲットとする５ＧＨｚ帯に、単モードで共振を発生させることができる。サブライン１２ａ、１２ｂの各々の長さは、キャリアの波長λgの半分であるが、連結部１５で連結させることによって、ちょうどλgの長さの共振器を中間地点で折り返した状態になり、所望の帯域内に、全体でひとつの共振モードを発生させることができる。なお、λg／２の共振は発生し得るが、それは５ＧＨｚ／２あたりに発生するので、使用したい所望の帯域内での信号分離には影響しない。

図４は、従来の分割型ＭＳＬ共振器と、本願の分割型ＭＳＬ共振器の長さ方向での電流密度分布を比較する図である。図４（ａ）では、従来の分割型ＭＳＬ共振器を用いており、λg／２の長さの分割パターンの各々で、中央部での電流密度が高くなっている。図４（ｂ）では、λg／２のサブラインを一方の端部で連結することによって、全体としてλg共振モードの構成となっている。この場合、連結部１５は、ちょうど振幅の節に当たるので、電流密度分布への影響はほとんどなく、従来の分割型ＭＳＬと同様の電流密度分散効果を達成することができる。なお、各ストリップの幅方向の電流密度分布は、図１（ｂ）と同様である。

このように、本発明では、分割型ＭＳＬ共振器の電流密度分散効果を維持したまま、所望の帯域内に単一の共振モードを発生させることができるので、低損失、高Ｑ値を実現することができる。

図５は、本発明の一実施形態に係る分割型マイクロストリップフィルタ１０の構成例と、その周波数特性を示す図である。図５のシミュレーションで用いたサンプルは、サファイア誘電体基板上に形成されている。図５（ａ）の共振器パターン２０は、長手方向に沿ったスリット１４で５つのサブライン１２ｓに分割されたマイクロストリップ線路１２を含む。マイクロストリップ線路１２の長さは１０．６５ｍｍ、各サブライン１２ｓのライン幅は０．２ｍｍ、スリット幅は０．１ｍｍである。

５つのサブライン１２ｓのすべてが、一方の端部の連結部１５で連結されている。共振器パターン２０の近傍に、信号入出力フィーダとしての給電線１３が伸びる。図示はしないが、誘電体基板１１の裏面は、グランド層となっている。共振器パターン２０および給電線１３は導体で形成されるが、高Qの特性を得るために超伝導膜、例えばＹＢＣＯ薄膜で形成するのが望ましい。

図５（ｂ）に示すように、分割型マイクロストリップフィルタ１０の共振周波数として、５ＧＨｚ付近に単モードが得られているのがわかる。

図６は、図５のフィルタを発展させた３段の分割型マイクロストリップフィルタ１０の構成例と、その周波数特性である。このフィルタは、中心周波数が５ＧＨｚ、帯域幅が１００ＭＨｚのフィルタ設計仕様に合うように、適宜調整してある。

図６（ａ）に示すように、３段の共振器パターンの２０の各々が、長手方向に沿ったスリット１４で複数のサブライン１２ｓに分割されるマイクロストリップ線路１２と、サブライン１２ｓのすべてを一方の端部で連結する連結部１５とを有する。３段のマイクロストリップフィルタ２０の近傍に、高周波信号を伝送する給電線１３が延びる。このフィルタ２０は、図６（ｂ）に示すように、５ＧＨｚ近傍で、きわめて急峻な透過特性を示す。

図７は、本発明の実施形態の３段マイクロストリップフィルタと、従来のヘアピン型フィルタの電流密度の分布を比較する図である。場合と比較して３段の分割型マイクロストリップフィルタの電流密度分布を示したものである。図７（ｂ）の従来のヘアピン型フィルタでは、λg／２共振モードを利用しているため（すなわち、各ヘアピンの長さがλg／２）、ヘアピンのコーナー部分がちょうど共振の腹（振幅大）にあたり、電流密度が集中している。

一方、図７（ａ）に示す本発明の分割型マイクロストリップフィルタでは、λg共振モードを利用しているため、連結部１５が共振の節（振幅小）にあたるため、連結部１５での電流密度の集中が見られない。これは、図４を参照して説明したとおりである。共振の腹（振幅大）は、長さ方向の中央付近にあたっているが、ここではライン分割による電流密度分散の効果が得られているため、局所的な極端な電流集中が解消されている。すなわち、全体としてみたときに、電流密度が低減されている。

３段に配置された共振器の中央の共振器で最大電流密度Ｊmaxを比較すると、図７（ｂ）のヘアピン型フィルタで２６５２Ａ／ｍである。これに対し、図７（ａ）の分割型マイクロストリップフィルタでは６４１Ａ／ｍとなり、約７６％も減少している。

図８は、実施形態の分割型ＭＳＬ共振器２０の変形例を示す。図８（ａ）では、マイクロストリップ線路１２を長手方向に沿って分割するスリット１４のコーナーが、連結部１５で丸く構成されている。また図８（ｂ）では、スリット１４のコーナー部分だけではなく、連結部１５自体も曲線状に構成されている。これらの構成では、電流密度の局所的な偏りをより低減することができ、分割型の電流密度分散効果をいっそう高めることができる。

以上説明したように、本発明の実施形態によれば、所望の周波数帯域内で共振の単モードを発生させ、かつ耐電力性にすぐれた分割型ＭＳＬ共振器が達成される。このような共振器を多段に組み合わせてフィルタに適用した場合、低損失で高周波数遮断特性を有する小型の高Q多段フィルタを得ることができる。これを移動通信基地局のＲＦフロントエンドに用いることができれば、より一層の周波数有効利用を図ることができる。

なお、特定の実施形態に基づいて本発明を説明してきたが、本発明はこれらの例に限定されるものではない。

たとえば、実施形態では超伝導材料としてＹＢＣＯ薄膜を用いたが、任意の酸化物超伝導材料を用いることができる。たとえば、ＲＢＣＯ（Ｒ−Ｂａ−Ｃｕ−Ｏ）系薄膜、すなわち、Ｒ元素としてＹ（イットリウム）に代えて、Ｎｄ、Ｓｍ、Ｇｄ、Ｄｙ、Ｈｏを用いた超伝導材料を用いてもよい。また、ＢＳＣＣＯ（Ｂｉ−Ｓｒ−Ｃａ−Ｃｕ−Ｏ）系、ＰＢＳＣＣＯ（Ｐｂ−Ｂｉ−Ｓｒ−Ｃａ−Ｃｕ−Ｏ）系、ＣＢＣＣＯ（Ｃｕ−Ｂａp−Ｃａq−Ｃｕr−Ｏx、1.5<ｐ<2.5、2.5<ｑ<3.5、3.5<ｒ<4.5）を超伝導材料に用いてもよい。

誘電体基板は、ＭｇＯ単結晶基板、ＬａＡｌＯ３基板、サファイア基板などを用いることができる。

また、分割型ＭＳＬ共振器のスリット１４の幅は、サブライン１２ｓの幅の１／２に限定されず、サブライン１２ｓの幅以下で、任意に設定できる。

以上の説明に対し、以下の付記を開示する。
（付記１）誘電体基板上に形成され、長手方向に沿った１以上のスリットで複数のサブラインに分割されるマイクロストリップ線路と、
前記マイクロストリップ線路の一端側で、前記複数のサブラインのすべてを連結する連結部と
を有する共振器。
（付記２）前記マイクロストリップ線路と連結部は、超伝導材料で形成されていることを特徴とする付記１に記載の共振器。
（付記３）前記連結部は、曲線状に形成されていることを特徴とする付記１に記載の共振器。
（付記４）前記スリットは、前記連結部でのコーナー部分が丸く形成されていることを特徴とする付記１に記載の共振器。
（付記５）前記スリットの幅は、前記サブラインの幅以下であることを特徴とする付記１に記載の共振器。
（付記６）誘電体基板と、
前記誘電体基板上に形成される分割型マイクロストリップラインの共振器パターンと、
前記誘電体基板上に形成され、前記共振器パターンの近傍へ延びる給電線と
を備え、前記共振器パターンは、
長手方向に沿った１以上のスリットで分割される複数のサブラインと、
前記共振器の一端側で、前記複数のサブラインのすべてを連結する連結部と
を含むことを特徴とするマイクロストリップフィルタ。
（付記７）前記共振器パターンおよび給電線は、超伝導材料で形成されることを特徴とする付記６に記載のマイクロストリップフィルタ。
（付記８）前記共振器パターンの連結部は、曲線状に形成されていることを特徴とする付記６に記載のマイクロストリップフィルタ。
（付記９）前記マイクロストリップフィルタは、前記共振器パターンを複数配置する多段フィルタであることを特徴とする付記６に記載のマイクロストリップフィルタ。

公知のマイクロストリップ線路の電流密度分布を説明するための図である。 図１の分割型構造をＭＳＬ共振器に適用したときの問題点を説明するための図である。 本発明の原理を説明するための図である。 本発明の実施形態に係る共振器フィルタと、従来の分割構造を適用したＭＳＬ共振器の、電流密度分布の比較図である。 本発明の一実施形態に係る４本スリットの分割型マイクロストリップフィルタの構成例と周波数特性を示す図である。 本発明の一実施形態に係る３段の分割型マイクロストリップフィルタの構成例と周波数特性を示す図である。 図６の分割型マイクロストリップフィルタと、従来のヘアピンフィルタとの電流密度分布の比較図である。 実施形態の分割型ＭＳＬ共振器の変形例を示す図である。

符号の説明

１０ マイクロストリップフィルタ
１１ 誘電体基板
１２ マイクロストリップ線路
１２ａ、１２ｂ、１２ｓ サブライン
１３ フィーダ（給電線）
１４ スリット
１５ 連結部
２０ 分割型ＭＳＬ共振器

Claims (5)

1. 誘電体基板上に形成され、長手方向に沿った１以上のスリットで複数のサブラインに分割されるマイクロストリップ線路と、
   前記マイクロストリップ線路の一端側でのみ、前記複数のサブラインのすべてを連結する連結部と
   を有し、前記連結部は前記誘電体基板のエッジから離れて位置する共振器。
2. 前記マイクロストリップ線路と連結部は、超伝導材料で形成されていることを特徴とする請求項１に記載の共振器。
3. 前記連結部は、曲線状に形成されていることを特徴とする請求項１に記載の共振器。
4. 前記スリットは、前記連結部でのコーナー部分が丸く形成されていることを特徴とする請求項１に記載の共振器。
5. 誘電体基板と、
   前記誘電体基板上に形成される分割型マイクロストリップラインの共振器パターンと、
   前記誘電体基板上に形成され、前記共振器パターンの近傍へ延びる給電線と
   を備え、前記共振器パターンは、
   長手方向に沿った１以上のスリットで分割される複数のサブラインと、
   前記共振器の一端側でのみ、前記複数のサブラインのすべてを連結する連結部と
   を含み、前記連結部は前記誘電体基板のエッジから離れて位置することを特徴とするマイクロストリップフィルタ。