JP4894777B2 - 帯域通過フィルタ、該フィルタの製作方法、および該フィルタに使用される導体板 - Google Patents

Description

本発明は、帯域通過フィルタに関し、特に、導波管を用いた帯域通過フィルタおよびその製作方法に関する。

マイクロ波帯の無線装置においては低損失な伝送特性の回路が要求されるので、導波管回路が用いられることが多い。

また現在、マイクロ波帯の無線装置の開発において、高性能、高機能な特性を出来うる限り小スペースで実現することが鍵となっている。このような無線装置を構成するコンポーネントの中でフィルタのような受動回路は、設計で狙う通過周波数帯（以下、設計周波数）でその物理寸法がほぼ決定されてしまう。そのため、各コンポーネントのフレキシブルな実装という観点で、自由度の少ない回路の一つである。

帯域通過フィルタに導波管を使用する例として、特許文献１に開示されたものがある。これは、矩形導波管の中央にそのＥ面に平行な導体板（以下、Ｅ面平行板と呼ぶ。）を配置し、この導体板に共振器としての開口を形成したものである。このようなフィルタの作製においては、矩形導波管をそのＨ面の中央で２分割し、該２分割した導波管の間に、共振器としての開口が設けられた導体板を挟み込んでいる。ここで「Ｅ面」とは矩形導波管内の電界ベクトルの方向に平行な側面で、「Ｈ面」とは矩形導波管内の磁界ベクトルの方向に平行な側面をいう。このフィルタは製作が簡単なので量産性が高く安価に出来る。また通過帯域幅や通過させる中心周波数を変更するには、Ｅ面平行板の取り替えで対応可能となる。
特開２００２−１００９１２号公報

しかしながら、上記のＥ面平行板を持つ導波管形帯域通過フィルタの現状の構成においては、同じモードを励振する共振器のみでフィルタを実現していた。

したがって、設計周波数に対してフィルタ全長がフィルタの段数（即ち、共振器としての開口の数）だけで決まってしまい、フィルタ全長が、ある与えられたスペースに対して、長過ぎたり短過ぎたりしていた。つまり、所望の通過特性を実現しながら、ある限られたスペースにフィルタ全長を合わせることが容易ではなかった。

そこで本発明の目的は、上記のような課題を解決できる導波管形の帯域通過フィルタを提供することにある。その目的の一例としては、フィルタの製作および設計に際して所望の通過周波数帯を実現しながら、フィルタ全長の選択範囲を広げられる構造およびその製法を提供することにある。

本発明の一つの態様は、導波管と、該導波管内において該導波管のＥ面に平行に配置された導体板とを備える。そして導体板には、それぞれ異なるモードの共振器として作用する少なくとも２種類の開口が形成されている。

また本発明の他の態様は、導波管内において該導波管のＥ面に平行に配置された導体板を備えた帯域通過フィルタの製作方法に係るものである。この方法において、該導体板に、共振器として作用する複数の開口を前記導波管における伝搬方向に沿って形成するとき、複数の開口のうち、いくつかの開口をそれ以外の開口とは別のモードで励振する開口にする。

また本発明の他の態様は、導波管を用いた帯域通過フィルタに使用される導体板に係るものである。この導体板は少なくとも２種類の開口を有し、該少なくとも２種類の開口がそれぞれ異なるモードの共振器として作用するように寸法が異なる。

本発明によれば、導波管形帯域通過フィルタの製作および設計に際して所望の通過周波数帯を実現しながら、フィルタ全長を実装スペースに合わせることができる。

以下、本発明の実施例について図面を参照して説明する。

図１は、本発明の一実施例としての帯域通過フィルタの構造および各コンポーネントを示す斜視図である。本例の帯域通過フィルタは、一つの方形導波管をそのＨ面の中央で２分割し、その２分割された矩形導波管１，２の間に金属板製のＥ面平行板３を挟み込んだものである。このように製作された帯域通過フィルタをＥ面平行板３に垂直な面（Ｘ−Ｚ面）で切断した図が図２である。

本発明においては、Ｅ面平行板３に、共振器として作用する開口４ａ，５ａからなる複数の回路４，５が設けられている。

開口４ａおよび開口５ａは角形に形成され、導波管における伝搬方向に沿って配置されており、それぞれが異なるモードを励振する共振器として作用するよう寸法が異なっている。つまり、Ｅ面平行板３には、異なるモードを励振する共振器からなる回路が混在されている。Ｅ面平行板３に形成された開口４ａ，５ａの寸法はそれぞれ、Ｅ面平行板３の長手方向に関して異なっている。

図１，２では、Ｅ面平行板３の中央に、同じモードを励振する共振器としての開口４ａを４つ備える回路４が配置されている。そして、回路４を挟むようにＥ面平行板３の長手方向両端に、開口４ａのモード次数より小さいモードを励振する共振器としての開口５ａを２つ備える回路５が配置されている。本例ではこのような位置に回路４，５を配置したが、本発明はその配置に制限はない。したがって、回路４，５は図１の配置に限定されない。また、複数の共振器（開口）からなる回路は２種類に限られず、２種類以上あってもよく、このときの配置にも制限はない。

Ｅ面平行板３を形成する金属板は、矩形導波管１，２の熱膨張係数に近い材料を用いることが望ましい。その金属板の材質としては、ステンレスや銅、真鍮、リン青銅といった導体材料を用いることが可能である。

このようなＥ面平行板３は図１のように梯子形となり、フィルタの製作および設計の際、その梯子形状（金属板の板厚、金属フィン６の幅、隣接する２つの金属フィン６間の開口長さ（共振器長）など）により、各励振モードに対する、帯域通過フィルタに必要な結合係数が決定する。このため、本例のフィルタはＥ面平行板３の取り替えのみで所望の通過周波数帯を実現することができる。また、フィルタ内のいくつかの共振器に関してモード次数を高くし共振器長を大きくすれば、Q値が大きくなって損失が小さくなる。そのため、ある限られたスペースに対し、最大限フィルタ長を大きくして低損失特性を実現するような設計の自由度が得られる。

以下、本例の帯域通過フィルタの作用および効果について詳述する。

隣接する２つの金属フィン６で構成される共振器長（開口長さ）は1/2波長の整数倍であるので、波長をλ、フィルタの段数（共振器としての開口の数）をN、共振モード次数をnとした場合、フィルタ全長は 1/2λnN となる。したがって、フィルタ内の全ての共振器を同じモード次数の共振器にした場合、設計周波数に対してフィルタ全長が段数だけで決まってしまい、与えられたスペースにおいて長過ぎたり短過ぎたりすることがある。

この事に鑑み、フィルタ段数Nに対し、モード次数lの共振器の数をL個、モード次数mの共振器の数をM個形成した場合、フィルタ全長は 1/2λ(Ll+Mm) となる（l > m、L + M = N）。この場合、励振させるモード次数を選ぶことで、フィルタ全長を1/2λmN ＜ 1/2λ(lL+mM) ＜ 1/2λlN の範囲で選定することができる。

すなわち、フィルタ内の全ての共振器のうち、いくつかの共振器をそれ以外の共振器とは別のモードで励振する共振器にする。この事により、与えられたスペースに全長が合うようなフィルタを製作・設計する際にフィルタ全長の選定範囲を広げることができる。こうした理由で、図１，２に示した構成例のように一つのフィルタに、異なるモードを励振する共振器が混在されている。なお、上記「フィルタ全長」とは、複数の共振器が形成されたＥ面平行板３においてフィルタとして有効に機能する、一方の最端の金属フィン６からもう一方の最端の金属フィン６までの長さ（図３（ａ）参照）をいう。

上記実施例においては、２種類のモード次数の共振器をＥ面平行板３に形成した場合について説明した。しかし、３種類以上のモード次数の共振器を形成した構造の場合、上記フィルタ全長は、最大モード次数でのフィルタ全長と最小モード次数でのフィルタ全長の範囲において選択可能となる。

以上のように、複数の異なるモード次数の共振器を一つのフィルタ内に形成したことで、与えられたスペースに対して、そのフィルタ全長の選定範囲を広げることができるので、実装上の観点から設計に柔軟性が生まれる。

次に、本発明の実施例による効果を具体的に検証する。

図３において（ａ）は本実施例の帯域通過フィルタで使用するＥ面平行板の具体的形状を示す平面図、（ｂ）はそのＥ面平行板の肉厚を示す側面図、（ｃ）は（ａ）に示した複数の共振器（開口）の寸法の組合せ表である。図３（ａ）中のＷ１〜Ｗ５はＥ面平行板３の金属フィン６の幅を、Ｌ１〜Ｌ４は隣接する金属フィン間の間隔を表している。また、図３（ｃ）には、検証される各種のフィルタが、一つのフィルタ内に形成するTE102モードの共振器とTE101モードの共振器の個数を用いて、表記されている。例えば、(8,0)の表記は８つのTE102モードの共振器のみからなるフィルタを、(6,2)の表記は６つのTE102モードの共振器と２つのTE101モードの共振器を混在させたフィルタを意味する。

本実施例では、８段のフィルタ段数を持つフィルタであってTE102モードの共振器とTE101モードの共振器のそれぞれの個数を変えた５種類の37GHz帯モデルの帯域通過フィルタが、図３（ｃ）に示す分類毎の寸法に従って製作され、それぞれのフィルタについて通過特性が測定された。このとき用いたＥ面平行板３は、５種類ともに、Ｅ面平行板３の材料がリン青銅、Ｅ面平行板３の板厚が0.2mm、フィルタ段数（Ｅ面平行板３の共振器の数）が８段のものである。

そして、これらのフィルタの測定結果を表したのが図４である。

図４から分かるように、測定した各種フィルタは、ほぼ同じ通過帯域幅および減衰量を有している。ところが、各種フィルタのフィルタ全長は、(8,0)の場合には92.4mm、(6,2)の場合には85.2mm、(4,4)の場合には78.5mm、(2,6)の場合には71.7mm、(0,8)の場合には65.1mmになった。

このように、TE101モードの共振器のみを使用した場合のフィルタに比べ、TE102モードの共振器をいくつか適用したフィルタにおいては、フィルタ全長が大きくなる。よって、フィルタの実装スペースを低減するにはTE101モードの共振器の数を増やしていけばよい。しかしその一方で、TE102モードの共振器の数を増やしていけばいくほど、通過帯域付近の損失が改善されていることも確認できる。

この事から、Ｅ面平行板による導波管形帯域通過フィルタの37GHz帯モデルの製作において本発明を適用した場合、同じ通過特性のフィルタを、所与の実装スペースおよび通過損失を考慮しながら、65.1mmから92.4mmの範囲の中から選定できることになる。

（その他の実施例）
本発明の他の実施例として、その基本的構成は図１及び図２に示したとおりである。この構成において、図５に示すように、低次のモードを励振する共振器（ここではTE101モード共振器）の数を増やすことで、スプリアス（不要電磁波）の立ち上がり周波数を高域側にシフトさせることができる。尚、図５は、図３に記載された寸法に従って製作した５種類のフィルタについて広域通過特性を測定した結果を示すグラフであり、上記シフトの方向を矢印Ａで図示してある。

加えて、スプリアスの立ち上がり周波数付近の帯域のみでなく、それ以外の帯域においてもスプリアスが抑圧される周波数範囲が出現する（図５中の矢印Ｂ参照）。つまり、低次モードの共振器を増やした構成は、高域の周波数帯のスプリアス抑圧フィルタとしても使用することができる。

尚、フィルタ内に３種類以上の共振器を設けることができる場合は最低次モードの共振器を増やすことで、スプリアス抑圧効果が得られる。

他方、高次のモードを励振する共振器をいくつか適用することで、フィルタ全体の製作誤差に対する耐性が向上する。共振器単体に関して、基本モードのTE101モードに対し、TE10nモード（n=2,3,・・・）を励振した場合には、製作誤差に起因する設計周波数のずれが、1/n倍に抑圧される。したがって、実装スペースの許す限り、高次モードを励振する共振器をフィルタ内に適用すれば、その分フィルタの製作誤差に対する特性劣化が改善される。

以上のように幾つかの実施例を挙げて本発明を説明してきたが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではなく、その技術思想を逸脱しない範囲で種々変更して実施することは勿論可能である。

また、本発明に係る帯域通過フィルタの構成は、安価でフレキシブルな基幹ネットワークシステムの構築を目的とした簡易無線装置の入力部におけるＲＦ送受分離回路への適用が可能である。

本発明の一実施例の、異なるモードが混在したＥ面平行板による導波管形帯域通過フィルタの部品構成を示す図である。 図１の帯域通過フィルタのＸ−Ｚ面に沿った断面図である。 本発明の一実施例の帯域通過フィルタで使用するＥ面平行板の具体的形状および寸法を示した図である。 本発明の一実施例による帯域通過フィルタの通過域付近の周波数特性を示すグラフである。 本発明の他の実施例にかかる帯域通過フィルタの広域通過特性を示すグラフである。

符号の説明

１，２ 矩形導波管
３ Ｅ面平行板
４，５ 回路
４ａ，５ａ，７ 開口（共振器）
６ Ｅ面平行板を構成する金属フィン

Claims (16)

1. 導波管と、該導波管内において該導波管のＥ面に平行に配置された導体板とを備えた帯域通過フィルタにおいて、
   前記導体板には、それぞれ異なるモードの共振器として作用する少なくとも２種類の開口が形成されていることを特徴とする帯域通過フィルタ。
2. 前記少なくとも２種類の開口の寸法がそれぞれ異なっている請求項１に記載の帯域通過フィルタ。
3. 前記導波管における伝搬方向に関して前記寸法が異なっている請求項２に記載の帯域通過フィルタ。
4. 前記少なくとも２種類の開口がそれぞれ、前記導波管における伝搬方向に沿って１つ以上配置されている請求項１乃至３のいずれか１項に記載の帯域通過フィルタ。
5. 波長をλ、フィルタの段数をN、モード次数lの共振器として作用する開口の数をL個、モード次数mの共振器として作用する開口の数をM個とした場合（l > m、L + M = N）、フィルタ全長が 1/2λ(Ll+Mm) とな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。
6. 前記導波管をＨ面の中央で２分割し、該２分割された導波管の間に前記導体板が挟み込まれている請求項１乃至５のいずれか１項に記載の帯域通過フィルタ。
7. 前記導体板の材料がステンレス、銅、真鍮、またはリン青銅のいずれかである請求項１乃至６のいずれか１項に記載の帯域通過フィルタ。
8. 導波管と、該導波管内において該導波管のＥ面に平行に配置された導体板とを備え、該導体板に、共振器として作用する複数の開口が前記導波管における伝搬方向に沿って配置されている帯域通過フィルタの製作方法であって、
   前記複数の開口のうち、いくつかの開口をそれ以外の開口とは別のモードで励振する開口にする、帯域通過フィルタの製作方法。
9. 前記いくつかの開口をそれ以外の開口とは異なる寸法で形成する請求項８に記載の帯域通過フィルタの製作方法。
10. 前記複数の開口を形成するとき、励振モードの異なる各開口の数を、所与の実装スペースおよび通過特性に応じて変えることを特徴とする請求項８または９に記載の帯域通過フィルタの製作方法。
11. 前記複数の開口のうちの、高次モードを励振する開口の数を増やして、通過帯域付近での損失を低減することを特徴とする請求項１０に記載の帯域通過フィルタの製作方法。
12. 前記複数の開口のうちの、低次モードを励振する開口の数を増やして、実装スペースを低減することを特徴とする請求項１１に記載の帯域通過フィルタの製作方法。
13. 導波管を用いた帯域通過フィルタに使用される導体板において、
    少なくとも２種類の開口を有し、
    該少なくとも２種類の開口がそれぞれ異なるモードの共振器として作用するように寸法が異なることを特徴とする導体板。
14. 前記少なくとも２種類の開口の寸法がそれぞれ、前記導体板の長手方向に関して異なっている請求項１３に記載の導体板。
15. 前記少なくとも２種類の開口がそれぞれ、前記導体板の長手方向に沿って１つ以上配置されている請求項１３または１４に記載の導体板。
16. ステンレス、銅、真鍮、またはリン青銅のいずれかの材料からなる請求項１３乃至１５のいずれか１項に記載の導体板。

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