JP4992345B2

JP4992345B2 - 伝送線路型共振器と、これを用いた高周波フィルタ、高周波モジュールおよび無線機器

Info

Publication number: JP4992345B2
Application number: JP2006235243A
Authority: JP
Inventors: 俊雄石崎
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2006-08-31
Filing date: 2006-08-31
Publication date: 2012-08-08
Anticipated expiration: 2026-08-31
Also published as: EP2058897A4; CN101512830B; JP2008060901A; US20100007445A1; EP2058897A1; US8222975B2; CN101512830A; WO2008029662A1

Description

本発明は、たとえば携帯電話機やデジタルテレビチューナ等の無線機器や高周波モジュールに用いられる高周波フィルタならびに伝送線路型共振器に関するものである。

以下に図面を参照しながら、従来の伝送線路型共振器を用いた高周波フィルタの一例について説明する。図２４は、従来の伝送線路型共振器を用いた高周波フィルタの外観斜視図を示すものである。

図２４において、従来の高周波フィルタ１は、誘電体シート２の上に順に配置された外部接続端子３と、半波長の伝送線路型共振器４と、半波長の伝送線路型共振器５と、外部接続端子６とを備えている。また、これら外部接続端子３と伝送線路型共振器４と伝送線路型共振器５と外部接続端子６とは互いに容量結合されている。

この従来の高周波フィルタ１において、誘電体シート２の誘電率によって伝送線路型共振器４，５のエレメント長が決定されていた。

なお、この出願の発明に関連する先行技術文献情報としては、例えば、非特許文献１が知られている。
MICROWAVE FILTERS, IMPEDANCE-MATCHING NETWORKS, AND COUPLING STRUCTURES Page 441 Printed and bound by Artech House, Norwood, MA, 1980 Written by G. L. Matthaei and L. Young and E.M.T. Jones

上記従来の高周波フィルタ１において、伝送線路型共振器４，５が右手系であった為、伝送線路型共振器４，５に流れる高周波電流が伝送線路型共振器４，５の電気抵抗で熱エネルギーに変換されてしまい、高周波フィルタ１の伝送特性において大きな挿入損失が生じていた。

そこで本発明は、低損失な伝送線路型共振器を提供することを目的とするものである。

上記目的を達成するために本発明の伝送線路型共振器は、複数の誘電体シートが積層された積層体からなり、これら複数の誘電体シートの間に配置された複合右手系左手系伝送線路と、伝送線路型共振器の端面に配置され複合右手系左手系伝送線路に接続された外部接続端子とを備えたことを特徴とする。

上記構成により、本発明の伝送線路型共振器は、複合右手系左手系伝送線路を用いているので、低損失になる。

（実施の形態１）
以下、本発明の実施の形態１における伝送線路型共振器について図面を参照にして説明する。

図１に実施の形態１における伝送線路型共振器の外観図を示す。

図１において、伝送線路型共振器７は、積層体８と、この積層体８の端面に配置された外部接続端子９及び接地電極１０とを有する。

図２に、実施の形態１における複合右手系左手系の伝送線路型共振器の分解斜視図を示す。複合右手系左手系の伝送線路型共振器７は、低温同時焼成セラミック若しくは樹脂板からなる誘電体シート１１を複数枚積層して構成される。そして、ある誘電体シート１１上に互いに任意の間隙をおいて直線的に複数の線路電極１２が配置されている。さらに、線路電極１２には、線路電極１２より線路幅の小さいインダクタ性の接続パターン電極１３を介して接地パターン電極１６が接続されている。また、接地パターン電極１６は上記接地電極１０に接続されている。さらに、線路電極１２の上に配置された誘電体シート１１の上には複数の容量電極１４が線路電極１２に対向するように配置されている。各容量電極１４は隣接する２枚の線路電極１２を跨ぐように配置され、隣接する線路電極１２同士を容量結合させる。また、複数の線路電極１２のうち最外端の線路電極１２に容量結合されるように入出力パターン電極１５が配置されている。この入出力パターン電極１５は上記外部接続端子９に接続されている。

また、積層体８の最上の誘電体シート１１の下面及び最下の誘電体シート１１の上面にはシールドパターン電極１７が配置され、これら２枚のシールドパターン電極１７も接地電極１０に接続されている。

尚、本発明における複合右手系左手系伝送線路は、少なくとも上記接地電極１０と、線路電極１２と、接続パターン電極１３と、入出力パターン電極１５とから構成されている。

ここで、従来の右手系伝送線路と、理想的な左手系伝送線路と、本発明の複合型右手系左手系伝送線路の動作について説明する。図３（ａ）は、従来の右手系伝送線路（ＰＲＨ）の微小区間を等価回路的に表したものである。従来の右手系伝送線路では、直列にインダクタＬ_R、並列にＣ_R接続されることになる。ここでは、当然のこと、誘電率、透磁率ともに正の値を持つ。

一方、図３（ｂ）は、理想的な左手系伝送線路（ＰＬＨ）の微小区間を等価回路的に表したものである。理想的な左手系伝送線路では、直列にキャパシタＣ_L、並列にＬ_Lが接続されることになる。この場合は、誘電率、透磁率ともに負の値を持つ。したがって、その電気的振る舞いは、普通の自然界に存在する伝送線路とは大きく異なる性質を示すことになる。例えば、後進波が生じる。後進波とは、波のエネルギーの進む方向と位相の進む方向が逆になるものである。また、低速波が生じる。そのため、波の位相の進む速度が自由空間中に比べて非常に遅くなる。よって、低い周波数においても、伝送線路型共振器の長さを短くできることとなる。

さらに、図３（ｃ）は、複合型右手系左手系伝送線路（ＣＲＬＨ）の微小区間を等価回路的に表したものである。図３（ｂ）の理想的な左手系伝送線路を作ろうとしても、実際には右手系の持つ直列インダクタおよび並列キャパシタが寄生的に入り、図３（ｃ）のような複合型右手系左手系伝送線路になる。複合型右手系左手系伝送線路では、０〜ω_shでは左手系の性質を示し、ω_se〜∞では右手系の性質を示す。ω_sh≠ω_seの場合、アンバランス型といい、その周波数では波は伝搬できない（unbalance gap）。ω₀＝ω_sh＝ω_seの場合、バランス型といい、ω₀以下の周波数では左手系の特徴を示し、ω_o以上の周波数では右手系の特徴を示す。各周波数ω₀，ω_sh，ω_seと位相伝搬定数β_pの関係を図４に示す。

本発明の伝送線路型共振器では、複合型右手系左手系伝送線路（ＣＲＬＨ）の特性曲線上のいずれの周波数を用いても構わないが、β_pが負の領域において、従来得られなかった特性が得られる。特に、ω＝ω₀においては、波長が無限大となり、伝送線路型共振器の長さと波長が無関係になり、理論的には共振器長をいくらでも短くできる。これを０次オーダーの共振器という。本発明では、最も好ましい共振モードである。この時、共振周波数はＣ_RとＬ_Lの並列共振周波数で決まる。

ここで、伝送線路型共振器の損失について考えると、一般的に損失は線路の導体抵抗による抵抗損と誘電体のtanδによる誘電体損がある。従来の右手系伝送線路の場合は、線路の抵抗損が支配的であった。左手系伝送線路の場合は、図３（ｂ）でも示されるように、線路は直列キャパシタＣ_Lの直列接続でできており、この部分での抵抗損はほとんど生じない。並列インダクタＬ_Lの抵抗は依然として存在するが、特に０次オーダーの共振器の場合、並列回路はインピーダンスが無限大となる並列共振周波数で使用するため、抵抗損の影響はほとんど受けない。

したがって、０次オーダーの共振器は、従来の右手系伝送線路型共振器に比べて、線路長を画期的に短くできるだけでなく、より高い無負荷Ｑ値が得られる。すなわち低損失にできる。

尚、誘電体シート１１の厚さは全て略同一の厚さに規格化されているほうが好ましい。これにより、全ての誘電体シート１１の厚さが規格化されているため、製造が容易で低コスト化できる。

また、その上で、容量電極１４と線路電極１２の間の誘電体シート１１をＮ₁（Ｎ₁は自然数）枚とすると、上側のシールドパターン電極１７と容量電極１４の間の誘電体シート１１をＭ₁（Ｍ₁は自然数）枚、線路電極１２と下側のシールドパターン電極１７の間の誘電体シート１１をＭ₁’（Ｍ₁’は自然数）枚とし、Ｍ₁、Ｍ₁’＞Ｎ₁とすることが、損失低減の点から望ましい。

接続パターン電極１３の実現方法については、いろいろな例が考えられる。図５は、接続パターン電極１３としてメアンダライン２１を用いた例である。図６（ａ）（ｂ）は、接続パターン電極１３としてスパイラル・コイル２２を用いた例である。尚、図６（ａ）は、所定の誘電体シート１１の上面を示し、図６（ｂ）は、この誘電体シート１１の下に配置された誘電体シート１１の上面を示す。図６（ａ）（ｂ）に示すように、スパイラル・コイル２２は、ビアホール電極２３によって接続されている。このようにスパイラル・コイル２２を用いることによって、より大きなインダクタンスを得ることができ、設計の自由度が上がる。

（実施の形態１の変形例）
図７は、実施の形態１の変形例である。上記実施の形態１と異なる点は容量電極１４が線路電極１２の上下２層に設けられている点である。これにより、さらに大きな結合容量を形成することができ、設計自由度を向上させることができる。図８は実施の形態１の変形例のＡ−Ａ’における断面図を示したものである。

（実施の形態２）
つぎに、本発明の実施の形態２の複合右手系左手系の伝送線路型共振器の構成について説明する。尚、特に説明しない限り実施の形態１と伝送線路型共振器の構成と動作は同様である。図９に示すのは、複合右手系左手系の伝送線路型共振器の分解斜視図である。また、図１０は、Ｂ−Ｂ’における断面図を示したものである。

実施の形態２においては、容量電極１４がなく、線路電極１２を２層にわたり互い違いに配置する。このようにすると、対向する線路電極１２同士で容量結合を行なうことができる。

この構成により、複合右手系左手系の伝送線路型共振器７のさらなる小型化が実現できる。

（実施の形態３）
つぎに、本発明の実施の形態３における複合右手系左手系の伝送線路型共振器の構成について説明する。尚、特に説明しない限り実施の形態１と伝送線路型共振器の構成と動作は同様である。図１１は、実施の形態３における複合右手系左手系の伝送線路型共振器７の分解斜視図である。図１２は、Ｃ−Ｃ’における断面図を示したものである。

ここでは、接続パターン電極１３の代わりに、ビアホール電極１８を介して線路電極１２をシールドパターン電極１７に接地させる。ビアホール電極１８は、並列インダクタＬ_Lとして動作する。尚、接地パターン電極１６は無くともよい。したがって、伝送線路型共振器７の横幅を狭くすることができる。

ビアホール電極１８については、いろいろな変形例が考えられる。図１３は、ビアホール電極１８の途中にスタブ電極を設けた例である。このような素子を用いることによって、より大きなインダクタンスを得ることができ、設計の自由度が上がる。

また、積層体８をＬＴＣＣで構成した場合、積層体８の焼成方法には収縮焼成と無収縮焼成がある。図１４（ａ）は、無収縮焼成を行なうときの層構成を示したものである。誘電体シート１１を積層したものの最上層と最下層に拘束層２４を接着する。図１４（ｂ）は、収縮焼成の場合の焼成前（左側）と焼成後（右側）の積層体２５の外観を示したものである。収縮焼成の場合は、３次元全ての方向に約１５％ずつ収縮する。

これに対して、無収縮焼成の場合は、図１４（ｃ）に示すように、平面方向には収縮せず、厚み方向にのみ約５０％収縮する。したがって、無収縮焼成は平面内の精度がとれる代わりに、厚み方向にばらつきを生じてしまう。したがって、ビアホール電極１８の設計は、この厚み方向のばらつきを考慮した設計が必要である。なお、拘束層２４は焼成後に除去する。

尚、ビアホール電極１８の断面を詳細に観測すると図１５のように各々の誘電体シート１１内で上から下に細くなるテーパ状となっており、これらを考慮した設計が必要である。

（実施の形態４）
つぎに、本発明の実施の形態４における複合右手系左手系の伝送線路型共振器について説明する。尚、特に説明しない限り実施の形態１と伝送線路型共振器の構成と動作は同様である。図１６は複合右手系左手系の伝送線路型共振器の分解斜視図である。図１６において、線路電極１２の代わりに分割型線路電極１９が使われている点が実施の形態１と異なる点である。

図１７は、Ｄ−Ｄ’における断面図を示す。図１８は、分割型線路電極１９における電流分布を図示したものである。通常、高周波電流は伝送線路電極の両端に集中するが、電極を分割することにより、中央の電極にも電流が流れ、電流集中が緩和されていることがわかる。よって、上記構成により、電流の抵抗損が減り、高い無負荷Ｑ値が得られることとなる。

（実施の形態４の変形例）
図１９は、実施の形態４の変形例である。実施の形態４と異なる点は、容量電極１４が分割容量電極２０に置き換えられていることである。当変形例では、容量電極を流れる電流についても、電流集中を緩和できるので、さらに抵抗損を減らすことができる。

（実施の形態５）
つぎに、本発明の実施の形態５における複合右手系左手系の伝送線路型共振器を用いた高周波フィルタについて説明する。図２０は、複合右手系左手系の伝送線路型共振器を用いた高周波フィルタの分解斜視図である。

本構成では、実施の形態１で説明した複合右手系左手系の伝送線路型共振器７を上下方向に２段重ねして２つの共振器を電磁界結合させて高周波フィルタ２６を構成する。

共振器同士の結合のさせ方はこれに限らず、別に設けた結合回路(図示せず)を用いて行なっても良い。

また、結合させる共振器は２個に限らず、３個、４個と多段にすることができる。

高周波フィルタ２６の外観は、図１と基本的に同じである。

上記構成により、実施の形態１で述べた複合右手系左手系の伝送線路型共振器７の特徴が生かされて、小型で低損失な高周波フィルタを実現することができる。

（実施の形態６）
つぎに、本発明の実施の形態６における複合右手系左手系の伝送線路型共振器を用いた高周波フィルタについて説明する。図２１は、複合右手系左手系の伝送線路型共振器を用いた高周波フィルタの分解斜視図である。

本構成では、実施の形態１で説明した複合右手系左手系の伝送線路型共振器７を同一平面に配列して２つの共振器を電磁界結合させて高周波フィルタ２６を構成する。

共振器同士の結合のさせ方はこれに限らず、別に設けた結合回路（図示せず）を用いて行なっても良い。

（実施の形態７）
つぎに、本発明の実施の形態５、６で説明した高周波フィルタ２６を用いた高周波モジュールの例について説明する。図２２（ａ）は高周波モジュールの外観図、図２２（ｂ）は高周波モジュールの回路概念図である。

ここでは、高周波モジュール２９の例として、高周波フィルタ２６にバラクタダイオード３０を接続したチューナブルフィルタモジュールを例示している。

高周波モジュール２９は、高周波フィルタ２６と、この高周波フィルタ２６とグランドとの間に接続されたバラクタダイオード３０と、このバラクタダイオード３０とコントロール端子との間に接続されたチップインダクタ３１とを有する。バラクタダイオード３０は高周波フィルタ２６に複数個接続されていても構わない。また、図２２（ａ）に示すように、バラクタダイオード３０とチップインダクタ３１とは積層体８の上面に実装されている。

このように、積層体８の上面に表面実装部品を配置することにより、小型で高機能な高周波モジュールを実現することができる。

（実施の形態８）
つぎに、本発明の実施の形態７で説明した高周波モジュール２９を用いた無線機器の例について説明する。図２３（ａ）は無線機器の外観図、図２３（ｂ）は無線機器の回路概念図である。

無線機器は、入力端子側から順に高周波フィルタ２９、低雑音増幅器３３、高周波フィルタ２９、ミキサ３４を有しており、高周波フィルタ２９を用いることにより、非常に小型で多機能・高性能な無線機器を提供することができる。

例えば、デジタルテレビのチューナをこのような構成で実現すれば、強電界の妨害信号をチューナブルフィルタで取り除くことができて、低雑音増幅器やミキサを妨害信号による歪みから保護することができる。その結果、それらの回路の電流を減らせることとなる。

本発明の伝送線路型共振器は低損失であるので、携帯端末等の無線機器に有用である。

本発明の実施の形態１における伝送線路型共振器の外観図同伝送線路型共振器の分解斜視図（ａ）〜（ｃ）は、同伝送線路型共振器を説明するための回路図同伝送線路型共振器を説明するための図同伝送線路型共振器における接続パターン電極の一例を示す図（ａ）（ｂ）は、同伝送線路型共振器における接続パターン電極の一例を示す図同伝送線路型共振器の変形例を示す分解斜視図同伝送線路型共振器の変形例を示す断面図本発明の実施の形態２における伝送線路型共振器の分解斜視図同伝送線路型共振器の断面図本発明の実施の形態３における伝送線路型共振器の分解斜視図同伝送線路型共振器の断面図同伝送線路型共振器の変形例を示す断面図（ａ）は、同伝送線路型共振器において無収縮焼成を行なう場合の層構成を示す分解斜視図、（ｂ）は、同伝送線路型共振器において収縮焼成を行う場合の焼成前後の外観図、（ｃ）は、同伝送線路型共振器において無収縮焼成を行う場合の焼成前後の外観図同伝送線路型共振器の断面図本発明の実施の形態４における伝送線路型共振器の分解斜視図同伝送線路型共振器の断面図同伝送線路型共振器における電流分布を示す図同伝送線路型共振器の変形例を示す分解斜視図本発明の実施の形態５における高周波フィルタの分解斜視図本発明の実施の形態６における高周波フィルタの分解斜視図（ａ）は、本発明の実施の形態７における高周波モジュールの外観図、（ｂ）は、同無線機器の回路図（ａ）は、本発明の実施の形態８における無線機器の外観図、（ｂ）は、同無線機器の回路図従来の伝送線路型共振器の斜視図

符号の説明

７伝送線路型共振器
８積層体
９外部接続端子
１０接地電極
１１誘電体シート
１２線路電極
１３接続パターン電極
１４容量電極
１５入出力パターン電極
１６接地パターン電極
１７シールドパターン電極
１８ビアホール電極
１９分割型線路電極
２０分割容量電極
２１メアンダライン
２２スパイラル・コイル
２３ビアホール電極
２４拘束層
２５積層体
２６高周波フィルタ

Claims

複数の誘電体シートが積層された積層体からなる伝送線路型共振器であって、
前記複数の誘電体シートの間に配置された複合右手系左手系伝送線路と、
前記伝送線路型共振器の端面に配置され前記複合右手系左手系伝送線路に接続された外部接続端子とを備え、
前記複合右手系左手系伝送線路は、ある誘電体シート上に配置された線路電極と、
前記線路電極に接続され前記線路電極より線路幅の小さい接続パターン電極と、
この接続パターン電極に接続された接地電極と、
前記線路電極と容量結合するように配置されると共に前記外部接続端子と接続された入出力パターン電極とで構成され、
前記線路電極は前記ある誘電体シートの上に複数存在し、
前記複合右手系左手系伝送線路は、これら複数の線路電極の上に配置された誘電体シートを介して、前記線路電極に対向するように配置された容量電極を備えたことを特徴とする伝送線路型共振器。
前記容量電極と前記線路電極との間は、前記容量電極の上に配置されたシールドパターン電極と前記容量電極との間、若しくは前記線路電極の下に配置されたシールドパターン電極と前記線路電極との間より小さいことを特徴とする請求項１に記載の伝送線路型共振器。
前記容量電極が前記線路電極の上下２層に設けられていることを特徴とする請求項１に記載の伝送線路型共振器。
複数の誘電体シートが積層された積層体からなる伝送線路型共振器であって、
前記複数の誘電体シートの間に配置された複合右手系左手系伝送線路と、
前記伝送線路型共振器の端面に配置され前記複合右手系左手系伝送線路に接続された外部接続端子とを備え、
前記複合右手系左手系伝送線路は、ある誘電体シート上に配置された線路電極と、
前記線路電極に接続され前記線路電極より線路幅の小さい接続パターン電極と、
この接続パターン電極に接続された接地電極と、
前記線路電極と容量結合するように配置されると共に前記外部接続端子と接続された入出力パターン電極とで構成され、
前記線路電極は、複数層存在し、
各々の層の線路電極は互い違いに配置されたことを特徴とする伝送線路型共振器。