JP5010543B2 - 可変共振器及び可変フィルタ - Google Patents

Description

本発明は、可変共振器及び可変フィルタに関する。

高周波を用いた無線通信の分野においては、数多い信号の中から特定の周波数の信号を取り出すことで、必要な信号と不必要な信号とを分別している。この機能を果たす回路はフィルタと呼ばれ、多くの無線通信装置に搭載されている。

一般的なフィルタでは、フィルタの特性を表す中心周波数、帯域幅などは不変である。このようなフィルタを用いた無線通信装置を様々な周波数用途に対応させるために、中心周波数と帯域幅との組み合わせが異なるフィルタを複数個用意し、周波数用途に応じてフィルタをスイッチなどで切り替える方法が容易に考えられる。この方法では、所望の中心周波数と帯域幅との組合せの数だけフィルタが必要であり、回路規模が大きくなる。このため装置が大型化してしまう。また、予め用意した各フィルタが有する周波数特性以外の周波数特性で当該フィルタを動作させることは出来ない。

この問題を解決するために、非特許文献１に開示される可変フィルタは、２つのマイクロストリップ線路８０２を互いの端部をそれぞれ対向させることでリング状に配置し、対向する端部同士をＰＩＮダイオード１０ａで接続した共振器（図４３参照）を用いることで、フィルタの中心周波数を可変としている（例えば、非特許文献１参照。）。

しかし、非特許文献１に開示されるフィルタは、中心周波数を可変とするものであるが、帯域幅を大幅に可変とすることはできない。

このような実情に鑑みて、帯域幅を変更可能でありながら共振周波数及び中心周波数を帯域幅の変更とは独立に且つ自在に変更することが可能な可変共振器及び可変フィルタが提案されている（例えば、非特許文献２参照。）。

この可変共振器及び可変共振器は、図４４に例示するように、伝送線路６に分岐回路として電気的に接続された環状線路２を有する。環状線路２には、リアクタンス値が同一とされた複数の可変リアクタンス手段４と、複数のスイッチ５が電気的に接続されている。この可変共振器及び可変共振器によれば、可変リアクタンス手段４のリアクタンス値を変化させることにより、共振周波数及び中心周波数を帯域幅の変更とは独立に且つ自在に変化させることが可能であり、複数のスイッチ５の中からオン状態（電気的に接続した状態）とするスイッチ５を選択することで、すなわち角ＯＡＢに応じて、その共振周波数及び中心周波数を一定に保ったまま帯域幅を自在に変化させることが可能である。
T. Scott Martin, Fuchen Wang and Kai Chang, "ELECTRONICALLY TUNABLE AND SWITCHABLE FILTERS USING MICROSTRIP RING RESONATOR CIRCUITS", IEEE MTT-S Digest, 1988, pp.803-806. K.Kawai, H.Okazaki, S.Narahashi, "Ring Resonators for Bandwidth and Center Frequency Tunable Filter", Proceedings of the 37th European Microwave Conference, October 2007

非特許文献２に記載された可変共振器及び可変フィルタにおいては、例えば可変リアクタンス手段４としてＰＩＮダイオードを、スイッチ５としてトランジスタスイッチをそれぞれ用いたときには、下記の問題が生じ得る。

可変リアクタンス手段４としてＰＩＮダイオードを用いる場合、全部のＰＩＮダイオードの容量を所望の値にするために、ＰＩＮダイオード及び環状線路２に直流バイアスをかける必要がある。しかし、その直流バイアスをかけようとする環状線路２にはトランジスタスイッチが電気的に接続されており、オン状態のトランジスタスイッチから接地導体へ直流電流が漏れるため、ＰＩＮダイオード及び環状線路２に直流バイアスをかけることができない。このため、可変リアクタンス手段４としてのＰＩＮダイオードの容量を所望の値にすることができず、共振周波数及び中心周波数を変化させることはできない。

このように、例えば可変リアクタンス手段４として安価なＰＩＮダイオードを用いることができず、設計の自由度がないという問題があった。

このような実情に鑑みて、この発明は、より設計の自由度が高い可変共振器及び可変フィルタ提供することを目的とする。

この発明による可変共振器は、第一環状線路と、第一環状線路に、３以上のキャパシタを介して電気的に接続された第二環状線路と、第一環状線路における異なる部位に一端が電気的に接続され、他端が接地導体に電気的に接続され、第一環状線路とその接地導体との電気的な接続／非接続を切り替え可能な２以上のスイッチと、第二環状線路の周方向に沿って、電気長に基づく所定間隔で、第二環状線路に電気的に接続された、リアクタンス値を変更可能な３以上の可変リアクタンス手段と、を含む。
この発明による可変フィルタは、伝送線路と、分岐回路としての上記可変共振器とを含む。

この発明によれば、第一環状線路と第二環状線路とがキャパシタで電気的に接続されている。したがって、可変リアクタンス手段が接続された第二環状線路に直流バイアスをかけることができる。したがって、例えば可変リアクタンス手段としてＰＩＮダイオードを用いることができ、部品の選択の幅が広がり、設計の自由度が増す。

図１を参照して、マイクロストリップ線路構造を用いた可変共振器の一実施形態を説明する。

第一環状線路２１及び第二環状線路２２が、誘電体基板９０５（図２参照）の一方の面上に金属等の導電体で形成される。第一環状線路２１及び第二環状線路２２は、互いに径が異なり、また、同心円状に配置される。誘電体基板９０５の、第一環状線路２１及び第二環状線路２２が設けられる面とは反対側の面（裏面と云うことにする。）には、接地導体９０４が金属等の導電体で形成される。

第一環状線路２１及び第二環状線路２２は、均一な特性インピーダンスを持つ線路とするのが望ましい。ここで、「均一の特性インピーダンスを持つ」とは、第一環状線路２１及び第二環状線路２２のそれぞれを周方向の任意の長さで切断したとき、いずれの切断片においても同じ特性インピーダンスであることをいう。厳密に完全に同じ特性インピーダンスにすることは必須の技術事項ではなく、実用上の観点からはほぼ同じ特性インピーダンスとなるように第一環状線路２１及び第二環状線路２２を作製すれば足りる。例えば、第一環状線路２１の周方向に直交する方向を第一環状線路２１の幅と称せば、誘電体基板９０５の比誘電率が均一である場合には、どの部分でもほぼ同じ幅の第一環状線路２１とすることで、第一環状線路２１は均一な特性インピーダンスを持つ。

第一環状線路２１及び第二環状線路２２のそれぞれの周長は、可変共振器が所望の性能を得ることができるように定められる。

Ｎを３以上の整数として、第一環状線路２１と第二環状線路２２との間に、第一環状線路２１と第二環状線路２２とを電気的にそれぞれ接続するＮ個のキャパシタ３が配置される。図１に示す例では、Ｎ＝４である。Ｎ個のキャパシタ３は、第一環状線路２１及び第二環状線路２２の周方向において等電気長間隔で接続される。すなわち、Ｎ個のキャパシタ３は第一環状線路２１の周方向において等電気長間隔で第一環状線路２１に接続され、同様にＮ個のキャパシタ３は第二環状線路２２の周方向において等電気長間隔で第二環状線路２２に接続される。この例では、４つのキャパシタ３の内の１つのキャパシタ３が、第一環状線路２１及び第二環状線路２２の周方向において、給電点７と同じ位置に接続される。

２以上のスイッチ５が、第一環状線路２１に電気的に接続される。図２に例示するように、スイッチ５の一端５ａが第一環状線路２１に電気的に接続され、スイッチ５の他端５ｂが誘電体基板９０５裏面の接地導体９０４に、導電体９３３およびビアホール９０６を介して電気的に接続されている。なお、導電体９３３の形状などには一切の限定はないから、図１では導電体９３３の図示を省略している。各スイッチ５の配置は、それぞれ等間隔とすることに限定されず、所望の帯域幅を得るべく任意に設計できる。また、各スイッチ５に限らず本明細書においてスイッチと云えば、接点型のスイッチに限定するものではなく、例えばダイオード、トランジスタなどを用いた、回路網に接点を設けないで回路の開閉機能を有するいわゆるスイッチング素子とすることもできる。具体例としては、スイッチングダイオードなどが挙げられる。

各スイッチ５は、第一環状線路２１と接地導体９０４との電気的な接続／非接続を切り替えることができる。所望の帯域幅を得ることができるように、１つのスイッチ５が選択されて、その選択されたスイッチ５が第一環状線路２１と接地導体９０４とを電気的に接続する。このようにして、第一環状線路２１の周方向における接地部分の位置が決定される。接地部分の位置を、角ＡＯＢの角度θで表すことにする。角度θは、中心Ｏと給電点７の中心Ｏに関する点対称の位置とを含む線分ＯＡと、中心Ｏと選択されたスイッチ５が第一環状線路２１に接続される位置とを含む線分ＯＢとがなす角度のことである。

選択されるスイッチ５の位置に応じて、すなわちθに応じて、共振周波数及び中心周波数はそのままで、帯域幅が変化することが知られている。詳細については特許出願２００７−２１９９６７に譲るが、以下その原理について簡単に説明する。スイッチ５の位置に応じて、共振周波数及び中心周波数の周辺に生じる零点の位置を動かすことが可能である。ここで零点は、伝達係数（Transmission Coefficient：単位はデシベル[ｄＢ]）が極小、つまり挿入損失が極大となる周波数である。この零点の位置によって帯域幅が決まるため、導通状態にするスイッチ５の位置に応じて、可変共振器の帯域幅を変化させることができるのである。

Ｍを４以上の偶数として、それぞれリアクタンス値を変更可能なＭ個の可変リアクタンス手段４が、第二環状線路２２に電気的に接続される。図１に示す例では、Ｍ＝４である。Ｍ個の可変リアクタンス手段４は、第二環状線路２２の周方向に沿って、電気長に基づく所定の間隔で、第二環状線路２２に電気的に接続される。

インピーダンスＺをＺ＝Ｒ＋ｊＸ（ｊは虚数単位）と表すとすると、可変リアクタンス手段４は、理想的には、可変リアクタンス手段そのもののインピーダンスＺ_ＬについてＲ＝０且つＸを変更可能な可変リアクタンス手段である。現実的にはＲ≠０であるが、本発明の基本的な原理には影響がない。可変リアクタンス手段４の具体例としては、バリアブルキャパシタ、可変インダクタ、伝送線路などの回路素子、これらのうち同種のものを複数組み合わせた回路、これらのうち異種のものを複数組み合わせた回路などが挙げられる。

可変リアクタンス手段４はそれぞれ、同じ若しくはほぼ同じリアクタンス値を取ることが可能なものである必要がある。ここで、「ほぼ同じ」リアクタンス値を取ることができればよい、換言すれば、可変リアクタンス手段４をそれぞれ完全に同じリアクタンス値とすることを設計条件として厳格には要求しないことの理由は、可変リアクタンス手段４それぞれのリアクタンス値が完全に同じではなくても、共振周波数及び中心周波数に少しのずれが生じて一定にはならないものの（要するに所望の共振周波数及び中心周波数を維持できない。）、この程度のずれであれば帯域幅に吸収されるので、実用上何ら問題が生じないことにある。以下では、この意味を含んだ技術事項として、可変リアクタンス手段４はそれぞれ、同じリアクタンス値を取ることが可能なものであるとする。

なお、可変リアクタンス手段４を全て同種のものとすることが望ましいが、前述のとおり同じリアクタンス値を取るという条件を達成できるのであれば必ずしも同種の可変リアクタンス手段である必要はない。また、後述するように、可変リアクタンス手段は、４個以上あることが必要である。

図１に示す例では、ＰＯＲＴ１とＰＯＲＴ２の間の伝送線路６に、可変共振器が分岐回路として電気的に接続される。具体的には、１つの給電点７において、伝送線路６が可変共振器と電気的に接続される。これにより、可変フィルタが構成される。この場合、可変共振器の共振周波数と、可変フィルタの中心周波数とは一致する。

図３，図４に、図１の可変共振器及び可変フィルタの特性のシミュレーションデータを示す。図３は、可変リアクタンス手段４として０ｐＦのバラクタ（可変容量ダイオード）を用いて、ＰＯＲＴ１とＰＯＲＴ２の間の伝送線路６の特性インピーダンスを５０Ω、ＰＯＲＴ１とＰＯＲＴ２のポートインピーダンスを５０Ω、第一環状線路２１と第二環状線路２２の特性インピーダンスを１００Ω、第一環状線路２１の周長を３ＧＨｚの１波長、第二環状線路２２の周長を５ＧＨｚの１波長とした場合のシミュレーションデータである。図４は、同条件の下、可変リアクタンス手段４として１ｐＦのバラクタを用いた場合のシミュレーションデータである。図３，図４において、横軸は周波数、縦軸はＰＯＲＴ１から入力された信号がＰＯＲＴ２に伝達される際の伝達係数であり、実線は角ＡＯＢの角度θ＝３０°、破線は角ＡＯＢの角度θ＝１０°のシミュレーションデータである。

図３において共振周波数及び中心周波数及び中心周波数は３．７５ＧＨｚであり、θの変化に応じて帯域幅は変化するものの、その共振周波数及び中心周波数は変化していないことがわかる。また、図４において共振周波数及び中心周波数は２．８４ＧＨｚであり、θの変化に応じて帯域幅は変化するものの、その共振周波数及び中心周波数は変化していないことがわかる。

また、図３に示すように可変リアクタンス手段４として０ｐＦのバラクタを用いた場合の共振周波数及び中心周波数は３．７５ＧＨｚであり、図４に示すように可変リアクタンス手段４として１ｐＦのバラクタを用いた場合の共振周波数及び中心周波数は２．８４ＧＨｚである。図３，図４から、可変リアクタンス手段４の容量の変化に応じて、共振周波数及び中心周波数が変化することがわかる。

このように、可変リアクタンス手段４及びスイッチ５を、異なる環状線路である第二環状線路２２及び第一環状線路２１にそれぞれ電気的に接続して、第一環状線路２１と第二環状線路２２とをキャパシタ３で電気的に接続すると、可変リアクタンス手段４及び第二環状線路２２に直流バイアスをかけても、キャパシタにより直流電流が遮断される。このため、可変リアクタンス手段４及び第二環状線路２２に直流バイアスをかけることができ、共振周波数及び中心周波数を変化させることができるのである。

したがって、可変リアクタンス手段４として例えば直流バイアスをかけることにより容量を変えることができるＰＩＮダイオードを用いることができる。したがって、部品の選択の幅が広がり、設計の自由度が増す。また、ＰＩＮダイオード等の安価な部品を用いれば製造コストを削減することができる。さらに、スイッチ５としてトランジスタスイッチ等の半導体デバイスを用いた場合には、同一の誘電体基板上に可変共振器及び可変フィルタを形成することが可能となるため、小型化及び低価格化が可能である。

〔キャパシタの数について〕
θが変化しても共振周波数及び中心周波数が変わらないようにするためには、キャパシタ３は３個以上必要である。

キャパシタ３の数が２個である図５の可変共振器及び可変フィルタの特性のシミュレーションデータを図７示す。図５においては、２個のキャパシタ３は、第一環状線路２１及び第二環状線路２２の周方向において等電気長間隔で接続されている。具体的には、一方のキャパシタ３は第一環状線路２１及び第二環状線路２２の周方向において給電点７と同じ位置に配置され、他方のキャパシタ３はその一方のキャパシタ３と１８０°をなす位置に配置されている。他の条件は、図３のシミュレーションデータの条件と同じである。

キャパシタ３の数が３個である図６の可変共振器及び可変フィルタの特性のシミュレーションデータを図８に示す。他の条件は、図３のシミュレーションデータの条件と同じである。図７，図８において、横軸は周波数、縦軸はＰＯＲＴ１から入力された信号がＰＯＲＴ２に伝達される際の伝達係数であり、実線は角ＡＯＢの角度θ＝３０°、破線は角ＡＯＢの角度θ＝１０°のシミュレーションデータである。

図７においては、θ＝３０°のときの共振周波数及び中心周波数は３．１８ＧＨｚであり、θ＝１０°のときの共振周波数及び中心周波数は３．０３ＧＨｚである。このように、θの変化に応じて帯域幅のみならず、共振周波数及び中心周波数が変化している。これに対して、図８においては、共振周波数及び中心周波数は３．６３ＧＨｚであり、θの変化に応じて帯域幅は変化するものの、その共振周波数及び中心周波数は変化していない。

キャパシタ３の数が２個である図９の可変共振器及び可変フィルタの特性のシミュレーションデータを図１０に示す。第一環状線路２１の周方向において、給電点７の位置と、その給電点７と１８０°を成す位置に２つのキャパシタが配置されている。また、ＰＯＲＴ１とＰＯＲＴ２の間の伝送線路６の特性インピーダンスを５０Ω、ＰＯＲＴ１とＰＯＲＴ２のポートインピーダンスを５０Ω、第一環状線路２１と第二環状線路２２の特性インピーダンスを５０Ω、第一環状線路２１の周長を２ＧＨｚの１波長、第二環状線路２２の周長を５ＧＨｚの１波長としている。本発明においては、理想的には、例えば０ｐＦのバラクタを用いることにより、無限大のリアクタンス値を持つ可変リアクタンス手段４を用いることが可能である。この場合のシミュレーションデータを示すため、図９の可変共振器及び可変フィルタには、可変リアクタンス手段４を設けていない。これは、図１１，図１３，図１５及び図１８の可変共振器及び可変フィルタについても同様である。

図１０においては、横軸は周波数、縦軸はＰＯＲＴ１から入力された信号がＰＯＲＴ２に伝達される際の反射係数であり、実線は角ＡＯＢの角度θ＝３０°、破線は角ＡＯＢの角度θ＝４０°のシミュレーションデータである。θ＝３０°のときの共振周波数及び中心周波数は４．６２ＧＨｚであり、θ＝４０°のときの共振周波数及び中心周波数は４．６５ＧＨｚである。θの変化に応じて帯域幅のみならず、共振周波数及び中心周波数が変化している。

同様にキャパシタ３の数が２個である図１１の可変共振器及び可変フィルタの特性のシミュレーションデータを図１２に示す。第一環状線路２１の周方向において、給電点７の位置と、その給電点７と１８０°を成す位置とを等電気長間隔で分割する位置に２つのキャパシタ３が配置されている。他の条件は、図９の可変共振器及び可変フィルタについてのシミュレーションと同じである。

図１２においては、横軸は周波数、縦軸はＰＯＲＴ１から入力された信号がＰＯＲＴ２に伝達される際の反射係数であり、実線は角ＡＯＢの角度θ＝１０°、破線は角ＡＯＢの角度θ＝９０°のシミュレーションデータである。θ＝１０°のときの共振周波数及び中心周波数は３．７６ＧＨｚであり、θ＝９０°のときの共振周波数及び中心周波数は３．７８ＧＨｚである。θの変化に応じて帯域幅のみならず、共振周波数及び中心周波数が変化している。

キャパシタ３の数が４個である図１３の可変共振器及び可変フィルタの特性のシミュレーションデータを図１４に示す。４個のキャパシタ３は、第一環状線路２１の周方向において、第一環状線路２１及び第二環状線路２２に等電気長間隔で接続され、そのうち１つのキャパシタは、給電点７の位置に配置されている。他の条件は、図９の可変共振器及び可変フィルタについてのシミュレーションと同じである。

図１４においては、横軸は周波数、縦軸はＰＯＲＴ１から入力された信号がＰＯＲＴ２に伝達される際の反射係数であり、実線は角ＡＯＢの角度θ＝１０°、破線は角ＡＯＢの角度θ＝９０°のシミュレーションデータである。θ＝１０°のときの共振周波数及び中心周波数も、θ＝９０°のときの共振周波数及び中心周波数も、３．７６ＧＨｚである。θの変化に応じて帯域幅は変化するものの、その共振周波数及び中心周波数は変化していない。

キャパシタ３の数が５個である図１５の可変共振器及び可変フィルタの特性のシミュレーションデータを図１６，図１７に示す。５個の１００ｐＦのキャパシタ３は、第一環状線路２１及び第二環状線路２２の周方向において、第一環状線路２１及び第二環状線路２２に等電気長間隔で接続され、そのうち１つのキャパシタは、給電点７の位置に配置されている。また、ＰＯＲＴ１とＰＯＲＴ２の間の伝送線路６の特性インピーダンスを５０Ω、ＰＯＲＴ１とＰＯＲＴ２のポートインピーダンスを５０Ω、第一環状線路２１と第二環状線路２２の特性インピーダンスを１００Ω、第一環状線路２１の周長を５ＧＨｚの１波長、第二環状線路２２の周長を８ＧＨｚの１波長としている。

図１６においては、横軸は周波数、縦軸はＰＯＲＴ１から入力された信号がＰＯＲＴ２に伝達される際の反射係数であり、実線は角ＡＯＢの角度θ＝３０°、破線は角ＡＯＢの角度θ＝１０°のシミュレーションデータである。図１７においては、横軸は周波数、縦軸はＰＯＲＴ１から入力された信号がＰＯＲＴ２に伝達される際の伝達係数であり、実線は角ＡＯＢの角度θ＝３０°、破線は角ＡＯＢの角度θ＝１０°のシミュレーションデータである。θ＝３０°のときの共振周波数及び中心周波数も、θ＝１０°のときの共振周波数及び中心周波数も、６．２３ＧＨｚである。θの変化に応じて帯域幅は変化するものの、その共振周波数及び中心周波数は変化していない。

キャパシタ３の数が６個である図１８の可変共振器及び可変フィルタの特性のシミュレーションデータを図１９，図２０に示す。６個の１００ｐＦのキャパシタ３は、第一環状線路２１及び第二環状線路２２の周方向において、第一環状線路２１及び第二環状線路２２に等電気長間隔で接続され、そのうち１つのキャパシタは、給電点７の位置に配置されている。他の条件は、図１５の可変共振器及び可変フィルタについてのシミュレーションと同じである。

図１９においては、横軸は周波数、縦軸はＰＯＲＴ１から入力された信号がＰＯＲＴ２に伝達される際の反射係数であり、実線は角ＡＯＢの角度θ＝６０°、破線は角ＡＯＢの角度θ＝１０°のシミュレーションデータである。図２０においては、横軸は周波数、縦軸はＰＯＲＴ１から入力された信号がＰＯＲＴ２に伝達される際の伝達係数であり、実線は角ＡＯＢの角度θ＝６０°、破線は角ＡＯＢの角度θ＝１０°のシミュレーションデータである。θ＝６０°のときの共振周波数及び中心周波数も、θ＝１０°のときの共振周波数及び中心周波数も、６．２６ＧＨｚである。θの変化に応じて帯域幅は変化するものの、その共振周波数及び中心周波数は変化していない。

紙面の都合上省略するが、キャパシタ３の数が同様に７以上の場合にも、θの変化に応じて帯域幅は変化するものの、その共振周波数及び中心周波数は変化しないことがシミュレーションデータから明らかかになっている。

このように、θが変化しても共振周波数及び中心周波数が変わらないようにするためには、キャパシタ３は３個以上必要である。

〔可変リアクタンス手段の数について〕
共振周波数を変えつつ、θが変化しても共振周波数及び中心周波数が変わらないようにするためには、可変リアクタンス手段４は３個以上必要である。

可変リアクタンス手段４の数が２個である図２１可変共振器及び可変フィルタの特性のシミュレーションデータを図２２に示す。図２１においては、２個の１ｐＦの可変リアクタンス手段４は、第二環状線路２２の周方向において等電気長間隔の位置であり、かつ、線分ＯＡに対して線対称の位置に接続されている。また、ＰＯＲＴ１とＰＯＲＴ２の間の伝送線路６の特性インピーダンスを５０Ω、ＰＯＲＴ１とＰＯＲＴ２のポートインピーダンスを５０Ω、第一環状線路２１と第二環状線路２２の特性インピーダンスを５０Ω、第一環状線路２１の周長を３ＧＨｚの１波長、第二環状線路２２の周長を５ＧＨｚの１波長としている。

図２２において、横軸は周波数、縦軸はＰＯＲＴ１から入力された信号がＰＯＲＴ２に伝達される際の反射係数であり、実線は角ＡＯＢの角度θ＝９０°、破線は角ＡＯＢの角度θ＝３０°のシミュレーションデータである。θ＝９０°のときの共振周波数及び中心周波数は３．７５ＧＨｚであり、θ＝３０°のときの共振周波数及び中心周波数は３．３ＧＨｚである。θの変化に応じて帯域幅のみならず、共振周波数及び中心周波数が変化している。

可変リアクタンス手段４の数が３個である図２３の可変共振器及び可変フィルタの特性のシミュレーションデータを図２４に示す。図２３においては、３個の１ｐＦの可変リアクタンス手段４は、第二環状線路２２の周方向において等電気長間隔の位置に接続されている。そのうちの１つの可変リアクタンス手段４は、第一環状線路２１の周方向において給電点７と同じ位置に接続されたキャパシタ３と、第二環状線路２２の周方向において同じ位置に接続される。また、３つの１００ｐＦのキャパシタ３が、第一環状線路２１及び第二環状線路２２の周方向において等電気長間隔で第一環状線路２１と第二環状線路２２とを電気的に接続している。そのうちの１つのキャパシタ３は、第一環状線路２１の周方向において給電点７と同じ位置で第一環状線路２１に電気的に接続されている。他の条件は、図２１の可変共振器及び可変フィルタについてのシミュレーションと同じである。

図２４において、横軸は周波数、縦軸はＰＯＲＴ１から入力された信号がＰＯＲＴ２に伝達される際の反射係数であり、実線は角ＡＯＢの角度θ＝１０°、破線は角ＡＯＢの角度θ＝３０°のシミュレーションデータである。θ＝１０°のときの共振周波数及び中心周波数も、θ＝３０°のときの共振周波数及び中心周波数も３．２７ＧＨｚである。θの変化に応じて帯域幅は変化するものの、その共振周波数及び中心周波数は変化していない。

可変リアクタンス手段の数が３個である図２５の可変共振器及び可変フィルタの特性のシミュレーションデータを図２６に示す。図２５の可変共振器は、図２１の可変共振器及び可変フィルタにおいて可変リアクタンス手段４が電気的に接続された位置と同じ位置に２つの２ｐＦの可変リアクタンス手段４１を接続し、さらに第一環状線路２１の周方向において給電点７と１８０°を成す位置に接続されたキャパシタ３と第二環状線路２２の周方向において同じ位置に１つの４ｐＦの可変リアクタンス手段４２を接続したものである。他の条件は、図２１の可変共振器及び可変フィルタについてのシミュレーションと同じである。

図２６において、横軸は周波数、縦軸はＰＯＲＴ１から入力された信号がＰＯＲＴ２に伝達される際の反射係数であり、実線は角ＡＯＢの角度θ＝１０°、破線は角ＡＯＢの角度θ＝９０°のシミュレーションデータである。θ＝１０°のときの共振周波数及び中心周波数も、θ＝９０°のときの共振周波数及び中心周波数も２．８４ＧＨｚである。θの変化に応じて帯域幅は変化するものの、その共振周波数及び中心周波数は変化していない。

可変リアクタンス手段４の数が４個である図２７の可変共振器及び可変フィルタの特性のシミュレーションデータを図２８に示す。図２７の可変共振器は、４個の１ｐＦの可変リアクタンス手段を第一環状線路２１の周方向において等電気長間隔で接続したものである。他の条件は、図２１の可変共振器及び可変フィルタについてのシミュレーションと同じである。

図２８において、横軸は周波数、縦軸はＰＯＲＴ１から入力された信号がＰＯＲＴ２に伝達される際の反射係数であり、実線は角ＡＯＢの角度θ＝９０°、破線は角ＡＯＢの角度θ＝１０°のシミュレーションデータである。θ＝９０°のときの共振周波数及び中心周波数も、θ＝９０°のときの共振周波数及び中心周波数も３．２６ＧＨｚである。θの変化に応じて帯域幅は変化するものの、その共振周波数及び中心周波数は変化していない。

紙面の都合上省略するが、可変リアクタンス手段の数が同様に５以上の場合にも、θの変化に応じて帯域幅は変化するものの、その共振周波数及び中心周波数は変化しないことがシミュレーションデータから明らかかになっている。

このように、共振周波数を変えつつ、θが変化しても共振周波数及び中心周波数が変わらないようにするためには、可変リアクタンス手段４は３個以上必要である。

［第二実施形態］
図２９に例示するように、Ｍを４以上の偶数として、Ｍ−１個の可変リアクタンス手段を第二環状線路２２に電気的に接続しても、共振周波数及び中心周波数及び帯域幅を独立して変化させることができる。その他の点については、第一実施形態と同様である。図２９では、Ｍ＝４である。

Ｍ−１個の可変リアクタンス手段のうちＭ−２個の第一可変リアクタンス手段４１のそれぞれは同じリアクタンス値に設定可能であり、残りの１個の第二可変リアクタンス手段４２は第一可変リアクタンス手段４１のリアクタンス値の半分の値に設定可能であるとする。

Ｍ／２−１個の上記第一可変リアクタンス手段４１がそれぞれ、第二環状線路２２上で任意に定めた或る位置Ｋ１から第二環状線路２２の一周分の電気長の半分の位置Ｋ２までの間を時計回りに等電気長間隔に分割するように、位置Ｋ１および位置Ｋ２を除いて、第二環状線路に接続される。

Ｍ／２−１個の上記第一可変リアクタンス手段４１が、位置Ｋ１から位置Ｋ２までの間を反時計周りに等電気長間隔に分割するように、位置Ｋ１および位置Ｋ２を除いて、第二環状線路２２に接続される。
第二可変リアクタンス手段４２が、第二環状線路２２の位置Ｋ２に接続される。

図３０，図３１に、図２９の可変共振器及び可変フィルタの特性のシミュレーションデータを示す。図３０は、第一可変リアクタンス手段４１及び第二可変リアクタンス手段４２として０ｐＦのバラクタ（可変容量ダイオード）を用いて、ＰＯＲＴ１とＰＯＲＴ２の間の伝送線路６の特性インピーダンスを５０Ω、ＰＯＲＴ１とＰＯＲＴ２のポートインピーダンスを５０Ω、第一環状線路２１と第二環状線路２２の特性インピーダンスを１００Ω、第一環状線路２１の周長を３ＧＨｚの１波長、第二環状線路２２の周長を５ＧＨｚの１波長とした場合のシミュレーションデータである。図３１は、同条件の下、第一可変リアクタンス手段４１として１ｐＦのバラクタを、第二可変リアクタンス手段４２として２ｐＦのバラクタをそれぞれ用いた場合のシミュレーションデータである。図３０，図３１において、横軸は周波数、縦軸はＰＯＲＴ１から入力された信号がＰＯＲＴ２に伝達される際の伝達係数であり、実線は角ＡＯＢの角度θ＝３０°、破線は角ＡＯＢの角度θ＝１０°のシミュレーションデータである。

図３０において共振周波数及び中心周波数は３．７５ＧＨｚであり、θの変化に応じて帯域幅は変化するものの、その共振周波数及び中心周波数は変化していないことがわかる。また、図３１において共振周波数及び中心周波数は２．８４ＧＨｚであり、θの変化に応じて帯域幅は変化するものの、その共振周波数及び中心周波数は変化していないことがわかる。

また、図３０に示すように可変リアクタンス手段４として０ｐＦのバラクタを用いた場合の共振周波数及び中心周波数は３．７５ＧＨｚであり、図３１に示すように可変リアクタンス手段４として１ｐＦのバラクタを用いた場合の共振周波数及び中心周波数は２．８４ＧＨｚである。図３０，３１から、可変リアクタンス手段４の容量の変化に応じて、共振周波数及び中心周波数が変化することがわかる。

［第三実施形態］
図３２に例示するように、Ｍを４以上の偶数として、Ｍ個の可変リアクタンス手段４を第二環状線路２２に電気的に接続して、共振周波数及び中心周波数及び帯域幅を独立して変化させることができる。その他の点については、第一実施形態と同様である。図３２では、Ｍ＝４である。可変リアクタンス手段４は、同じリアクタンス値に設定可能である。

Ｍ／２−１個の可変リアクタンス手段４が、第二環状線路２２上で任意に定めた或る位置Ｋ１から第二環状線路２２の一周分の電気長の半分の位置Ｋ２までの間を時計回りに等電気長間隔に分割するように、位置Ｋ１および位置Ｋ２を除いて、第二環状線路２２に接続される。

Ｍ／２−１個の可変リアクタンス手段４が、位置Ｋ１から位置Ｋ２までの間を反時計周りに等電気長間隔に分割するように、位置Ｋ１および位置Ｋ２を除いて、第二環状線路２２に接続される。
２個の可変リアクタンス手段４が、第二環状線路２２の位置Ｋ２に接続される。

［第四実施形態］
図３３に例示するように、可変共振器を伝送線路６１及び伝送線路６２に対して直列に電気的に接続してもよい。すなわち、可変共振器の給電点７１，７２が２つあってもよい。この例では、２つの給電点７１，７２は、第一環状線路２１の周方向において、第一環状線路２１の一周分の電気長の半分だけ互いに離れている。すなわち、２つの給電点７１，７２は第一環状線路２１の互いに１８０°をなす位置に配置されている。第四実施形態は、給電点の数が異なる以外は、第一実施形態と同様である。

図３４，図３５に、図３３の可変共振器及び可変フィルタの特性のシミュレーションデータを示す。図３４は、可変リアクタンス手段４として０ｐＦのバラクタ（可変容量ダイオード）を用いて、ＰＯＲＴ１側の伝送線路６１の特性インピーダンスを５０Ω、ＰＯＲＴ２側の伝送線路６２の特性インピーダンスを５０Ω、ＰＯＲＴ１とＰＯＲＴ２のポートインピーダンスを５０Ω、第一環状線路２１と第二環状線路２２の特性インピーダンスを１００Ω、第一環状線路２１の周長を３ＧＨｚの１波長、第二環状線路２２の周長を５ＧＨｚの１波長とした場合のシミュレーションデータである。図３５は、同条件の下、可変リアクタンス手段４として１ｐＦのバラクタを用いた場合のシミュレーションデータである。図３４，図３５において、横軸は周波数、縦軸はＰＯＲＴ１から入力された信号がＰＯＲＴ２に伝達される際の伝達係数であり、それぞれ実線は角ＡＯＢの角度θ＝３０°、破線は角ＡＯＢの角度θ＝１０°のシミュレーションデータである。

図３４において共振周波数及び中心周波数は３．７５ＧＨｚであり、θの変化に応じて帯域幅は変化するものの、その共振周波数及び中心周波数は変化していないことがわかる。また、図３５において共振周波数及び中心周波数は２．８１ＧＨｚであり、θの変化に応じて帯域幅は変化するものの、その共振周波数及び中心周波数は変化していないことがわかる。

また、図３４に示すように可変リアクタンス手段４として０ｐＦのバラクタを用いた場合の共振周波数及び中心周波数は３．７５ＧＨｚであり、図３５に示すように可変リアクタンス手段４として１ｐＦのバラクタを用いた場合の共振周波数及び中心周波数は２．８１ＧＨｚである。図３４，図３５から、可変リアクタンス手段４の容量の変化に応じて、共振周波数及び中心周波数が変化することがわかる。

［変形例等］
図３６に例示するように、スイッチ５の第一環状線路２１に接続していない端部である他端５ｂ（図２参照）に所望の回路８を電気的に接続して、スイッチ５がその所望の回路８を介して接地導体９０４に電気的に接続されるようにしてもよい。これにより、所望の周波数特性を得ることができる。所望の回路８として、キャパシタ、インダクタ又は線路若しくはこれらの全部又は一部を組み合わせたものが例えば用いられる。

図３７に例示するように、スイッチ５の他端５ｂ（図２参照）に、インピーダンス可変回路素子を用いた回路９を電気的に接続して、スイッチ５がその回路９を介して接地導体９０４に電気的に接続されるようにしてもよい。これにより、共振周波数及び中心周波数を変えることなく、周波数特性を任意に変更することができる。

図３８に例示するように、キャパシタ３として、可変キャパシタを用いてもよい。これにより、可変キャパシタのキャパシタンスの変化に応じて共振周波数及び中心周波数を変化させることが可能である。この場合、可変キャパシタのキャパシタは、同じ又はほぼ同じであるとする。このため、可変キャパシタは、同じ又はほぼ同じキャパシタンスを取ることが可能なものである必要がある。

これまでの実施形態及び変形例はマイクロストリップ線路構造を用いて示されてきたが、これはマイクロストリップ線路構造に限定する趣旨ではなく、例えば、図３９に例示するコプレーナ導波路等の他の線路構造を用いてもよい。

図３９の例では、スイッチ５が電気的に接続される第一環状線路２１が、可変リアクタンス手段４が接続される第二環状線路２２の内側に配置される。第一環状線路２１と、第二環状線路とは、キャパシタ３により電気的に接続される。図３９のＡＡ断面図を、図４０に示す。接地導体９０４１及び接地導体９０４２にブリッジ９０が架橋されて電気的に接続され、接地導体９０４２及び接地導体９０４３にブリッジ９１が架橋されて電気的に接続されている。これにより、接地導体９０４１、９０４２、９０４３の電位が揃えられる。

また、これまでの実施形態及び変形例は、第一環状線路２１、第二環状線路２２として大きさの異なる２つの環状線路を用いて示されてきたが、同一又はほぼ同一の大きさの環状線路を用いてもよい。ほぼ同一の大きさの環状線路とは、同心状に配置したときに環が互いに重なる程度に大きさが近い環状線路のことである。この場合、第一環状線路２１、第二環状線路２２は、同一平面上に配置することができないため、図４１に例示するように配置される。

図４１の例では、誘電体基板９０５上に配置された第一環状線路２１の上にキャパシタ３を介して第二環状線路２２が積まれる。第二環状線路２２の上にキャパシタ３を介して第二環状線路２２が積まれてもよい。

これまでの実施形態及び変形例では、可変共振器に信号を供給電するにあたり、可変共振器に伝送線路６を直接接続しているが、キャパシタ及びインダクタ等の回路素子を介して可変共振器と伝送線路６とを電気的に接続してもよい。また、空隙を介して、電界又は磁界による結合により可変共振器に信号を供給してもよい。

環状線路は３以上あってもよい。例えば、図４２に示すように、スイッチ５が電気的に接続された第一環状線路２１と、可変リアクタンス手段４が電気的に接続された第二環状線路２２との間に、第三環状線路２３が配置され、第一環状線路２１と第三環状線路２３とがキャパシタ３を介して電気的に接続され、第二環状線路２２と第三環状線路２３とがキャパシタ３を介して電気的に接続される。このように、スイッチ５が電気的に接続された第一環状線路２１と、可変リアクタンス手段４が電気的に接続された第二環状線路２２とがキャパシタ３を介して電気的に接続しているようにしさえすれば、別の環状線路である第三環状線路２３が含まれていてもよい。

上述の変形例のそれぞれは、上述の実施形態のすべてに適用することができる。上述の変形例の全部又は一部を組み合わせて、上述の実施形態に適用してもよい。その他、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更が可能であることはいうまでもない。

可変共振器及び可変フィルタの一実施形態。 可変共振器のスイッチ部分の断面図。 図１の可変共振器及び可変フィルタのシミュレーション結果を表す図。 図１の可変共振器及び可変フィルタのシミュレーション結果を表す図。 可変共振器及び可変フィルタの一実施形態。 可変共振器及び可変フィルタの一実施形態。 図５の可変共振器及び可変フィルタのシミュレーション結果を表す図。 図６の可変共振器及び可変フィルタのシミュレーション結果を表す図。 キャパシタの数が２である可変共振器及び可変フィルタ。 図９の可変共振器及び可変フィルタのシミュレーション結果を表す図。 キャパシタの数が２である可変共振器及び可変フィルタ。 図１１の可変共振器及び可変フィルタのシミュレーション結果を表す図。 キャパシタの数が４である可変共振器及び可変フィルタ。 図１３の可変共振器及び可変フィルタのシミュレーション結果を表す図。 キャパシタの数が５である可変共振器及び可変フィルタ。 図１５の可変共振器及び可変フィルタのシミュレーション結果を表す図。 図１５の可変共振器及び可変フィルタのシミュレーション結果を表す図。 キャパシタの数が５である可変共振器及び可変フィルタ。 図１８の可変共振器及び可変フィルタのシミュレーション結果を表す図。 図１８の可変共振器及び可変フィルタのシミュレーション結果を表す図。 可変リアクタンス手段の数が２である可変共振器及び可変フィルタ。 図２１の可変共振器及び可変フィルタのシミュレーション結果を表す図。 可変リアクタンス手段の数が３である可変共振器及び可変フィルタ。 図２３の可変共振器及び可変フィルタのシミュレーション結果を表す図。 可変リアクタンス手段の数が３である可変共振器及び可変フィルタ。 図２５の可変共振器及び可変フィルタのシミュレーション結果を表す図。 可変リアクタンス手段の数が４である可変共振器及び可変フィルタ。 図２７の可変共振器及び可変フィルタのシミュレーション結果を表す図。 可変共振器及び可変フィルタの一実施形態。 図２９の可変共振器及び可変フィルタのシミュレーション結果を表す図。 図２９の可変共振器及び可変フィルタのシミュレーション結果を表す図。 可変共振器及び可変フィルタの一実施形態。 給電点の数が２である可変共振器及び可変フィルタの一実施形態。 図３３の可変共振器及び可変フィルタのシミュレーション結果を表す図。 図３３の可変共振器及び可変フィルタのシミュレーション結果を表す図。 可変共振器及び可変フィルタの一実施形態。 可変共振器及び可変フィルタの一実施形態。 可変共振器及び可変フィルタの一実施形態。 コプレーナ導波路構造を有する可変共振器及び可変フィルタの一実施形態。 図３９のＡ−Ａ断面図。 第一環状線路と第二環状線路の大きさがほぼ同じである場合の可変共振器及び可変フィルタの一実施形態。 環状線路の数３以上の場合の可変共振器及び可変フィルタの一実施形態。 従来例を説明する図。 従来例を説明する図。

符号の説明

３ キャパシタ
４ 可変リアクタンス手段
４１ 第一可変リアクタンス手段
４２ 第二可変リアクタンス手段
５ スイッチ
６ 伝送線路
７ 給電点
７１，７２ 給電点
２１ 第一環状線路
２２ 第二環状線路
９０４ 接地導体
９０５ 誘電体基板
９０６ ビアホール
９３３ 導電体

Claims (11)

1. 第一環状線路と
   上記第一環状線路に、３以上のキャパシタを介して電気的に接続された第二環状線路と、
   上記第一環状線路における異なる部位に一端が電気的に接続され、他端が接地導体に電気的に接続され、上記第一環状線路とその接地導体との電気的な接続／非接続を切り替え可能な２以上のスイッチと、
   上記第二環状線路の周方向に沿って、電気長に基づく所定間隔で、上記第二環状線路に電気的に接続された、リアクタンス値を変更可能な３以上の可変リアクタンス手段と、
   を含む可変共振器。
2. 請求項１に記載の可変共振器において、
   各上記リアクタンス手段は、同じリアクタンス値に設定可能であり、等電気長間隔で上記第二環状線路に電気的に接続されていることを特徴とする可変共振器。
3. 請求項１に記載の可変共振器において、
   Ｍを４以上の偶数として、上記可変リアクタンス手段の総数はＭ−１個であり、
   上記可変リアクタンス手段のうちＭ−２個の第一可変リアクタンス手段のそれぞれは同じリアクタンス値に設定可能であり、残りの１個の第二可変リアクタンス手段は各上記第一可変リアクタンス手段のリアクタンス値の半分の値に設定可能であり、
   Ｍ／２−１個の上記第一可変リアクタンス手段がそれぞれ、上記第二環状線路上で任意に定めた或る位置Ｋ１から上記第二環状線路の一周分の電気長の半分の位置Ｋ２までの間を時計回りに等電気長間隔に分割するように、上記位置Ｋ１および上記位置Ｋ２を除いて、上記第二環状線路に接続され、
   Ｍ／２−１個の上記第一可変リアクタンス手段が、上記位置Ｋ１から上記位置Ｋ２までの間を反時計周りに等電気長間隔に分割するように、上記位置Ｋ１および上記位置Ｋ２を除いて、上記第二環状線路に接続され、
   上記第二可変リアクタンス手段が、上記第二環状線路の上記位置Ｋ２に接続されていることを特徴とする可変共振器。
4. 請求項１に記載の可変共振器において、
   Ｍを４以上の偶数として、上記可変リアクタンス手段の総数はＭ個であり、
   各上記リアクタンス手段は、同じリアクタンス値に設定可能であり、
   Ｍ／２−１個の上記可変リアクタンス手段がそれぞれ、上記第二環状線路上で任意に定めた或る位置Ｋ１から上記第二環状線路の一周分の電気長の半分の位置Ｋ２までの間を時計回りに等電気長間隔に分割するように、上記位置Ｋ１および上記位置Ｋ２を除いて、上記第二環状線路に接続され、
   Ｍ／２−１個の上記可変リアクタンス手段が、上記位置Ｋ１から上記位置Ｋ２までの間を反時計周りに等電気長間隔に分割するように、上記位置Ｋ１および上記位置Ｋ２を除いて、上記第二環状線路に接続され、
   ２個の上記可変リアクタンス手段が、上記第二環状線路の上記位置Ｋ２に接続されていることを特徴とする可変共振器。
5. 請求項１から４の何れかに記載の可変共振器において、
   各上記スイッチの内の何れか１つによって、上記第一環状線路と上記接地導体とが電気的に接続されることを特徴とする可変共振器。
6. 請求項１から４の何れかに記載の可変共振器において、
   各上記スイッチの他端は、受動素子を用いた回路を介して上記接地導体に接続されることを特徴とする可変共振器。
7. 請求項１から４の何れかに記載の可変共振器において、
   各上記スイッチの他端は、インピーダンス可変回路素子を用いた回路を介して上記接地導体に接続されることを特徴とする可変共振器。
8. 請求項１から７の何れかに記載の可変共振器において、
   上記可変共振器は、上記第一環状線路又は上記第二環状線路における１つの給電点において給電されることを特徴とする可変共振器。
9. 請求項１から７の何れかに記載の可変共振器において、
   上記可変共振器は、上記第一環状線路又は上記第二環状線路における２つの給電点において給電され、
   上記２つの給電点は、上記第一環状線路又は上記第二環状線路の周方向において、上記第一環状線路又は上記第二環状線路の一周分の電気長の半分だけ互いに離れていることを特徴とする可変共振器。
10. 請求項９に記載の可変共振器において、
    上記キャパシタの内の２つのキャパシタは、上記第一環状線路又は上記第二環状線路の周方向において、上記２つの給電点と同じ位置にそれぞれ配置されることを特徴とすることを特徴とする可変共振器。
11. 伝送線路と、
    分岐回路として、上記伝送線路に電気的に接続された請求項１から１０の何れかに記載の可変共振器と、
    を含む可変フィルタ。

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