JP5084669B2 - バンドパスフィルタ、これを用いた無線通信モジュール及び通信機器装置 - Google Patents

Description

本発明は、バンドパスフィルタ及びこれを用いた通信機器装置に関するものである。通信機器装置は、例えば、携帯電話、無線ＬＡＮのような無線通信機器に好適に用いることができる。

従来から、通信機器装置などに用いられるバンドパスフィルタには所定の通過帯域を除く周波数帯域での信号を減衰させることが求められている。そこで、特許文献１に開示されているように、共振電極と電気的に結合された電極パターンを備えたバンドパスフィルタが提案されている。特許文献１に開示されたバンドパスフィルタにおいては、上記の電極パターンを備えていることにより、共振周波数の２倍の周波数帯域における信号を減衰させている。
特開２００８−１１８６１５号公報

しかしながら、近年、急峻な減衰特性を備えることが求められており、通過帯域近傍の周波数帯域における信号をより大きく減衰させることが求められている。

特許文献１に開示されたバンドパスフィルタにおいては、信号を大きく減衰させることのできる周波数帯域は共振周波数の２倍の周波数帯域という通過帯域から離れた周波数帯域であり、例え、入力端子側及び出力端子側に上記の電極パターン（容量電極）を配設して、これらの電極パターンによるそれぞれの共振回路を相互作用させたとしても、特許文献１の図６に開示されているように、共振周波数の２倍及び３倍となる周波数帯域でしか信号を減衰させることができなかった。また、これらの電極パターンの形状を変化させて共振周波数を小さくした場合、共振周波数と共振周波数の２倍の周波数帯域の間であって減衰量の小さい帯域が通過帯域から外れてしまうため、通過帯域における信号が大きく減衰してしまう。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、通過帯域における信号の減衰は抑制しつつも通過帯域近傍の周波数帯域における信号をより大きく減衰させる減衰特性を有するバンドパスフィルタ並びにこれを用いた無線通信モジュール及び通信機器装置を提供することを目的とする。

本発明のバンドパスフィルタは、第１の誘電体層を含む複数の誘電体層が積層された積層体と、該積層体の一方の端部に配設された基準電極と、前記第１の誘電体層の主面上に並設された複数の共振電極と、該複数の共振電極に信号を入力するための入力端子と、前記複数の共振電極から信号を出力するための出力端子と、前記共振電極と電気的に接続された第１の容量電極と、前記第１の容量電極と電気的に接続されるとともに前記誘電体層を介して前記第１の容量電極と対向する第２の容量電極とを備える。また、前記第１の容量電極と前記第２の容量電極との間に、前記第１の容量電極および前記第２の容量電極と前記複数の誘電体層の一部を介して対向する結合電極をさらに備えており、前記第１の容量電極と前記結合電極との間に第１の容量を有しているとともに、前記第２の容量電極と前記結合電極との間に第２の容量を有している。そして、前記積層体を平面視した場合に、前記第２の容量電極が、全面が前記第１の容量電極と対向し、前記第１の容量電極が、前記第２の容量電極と対向する対向部と、該対向部を除く非対向部とを有することを特徴とする。

本発明のバンドパスフィルタは、積層体を平面視した場合に、第２の容量電極が、全面が第１の容量電極と対向するとともに、第１の容量電極が、第２の容量電極と対向する対向部と、該対向部を除く非対向部とを有する。これにより、共振周波数自体の変化は抑制しつつも、共振周波数の２倍の周波数帯域における減衰に対応する減衰帯域を通過帯域に近づけることができる。

これは、第１の容量電極と基準電極とが容量結合するが、同時に、この容量結合とは異なる形状で第１の容量電極と第２の容量電極とが容量結合するからである。この第１の容量電極と第２の容量電極との容量結合との相互作用により、第１の容量電極と基準電極との間の容量結合における結合状態が変化するので、共振周波数の２倍の周波数帯域における減衰に対応する減衰帯域を通過帯域に近づけることができる。結果として、バンドパスフィルタの減衰特性を急峻なものとすることができる。

以下、本発明のバンドパスフィルタについて図面を用いて詳細に説明する。

図１〜３に示すように、本発明の第１の実施形態にかかるバンドパスフィルタ１は、第１の誘電体層３を含む複数の誘電体層３が積層された積層体５と、積層体５の積層方向の一方の端部に配設された第１の基準電極２１と、積層体５の積層方向の他方の端部に配設された第２の基準電極２３と、第１の誘電体層３の主面上に並設された複数の共振電極７と、複数の共振電極７に信号を入力するための入力端子９と、複数の共振電極７から信号を出力するための出力端子１１と、共振電極７と導電部材１８を介して電気的に接続された第１の容量電極１３と、第１の容量電極１３と導電部材１８を介して第２の基準電極２３側に位置して電気的に接続されるとともに誘電体層３を介して第１の容量電極１３と対向する第２の容量電極１５とを備えている。

また、積層体５を平面視した場合に、第２の容量電極１５が、全面が第１の容量電極１３と対向し、第１の容量電極１３が、第２の容量電極１５と対向する対向部１３ａと、対向部１３ａを除く非対向部１３ｂとを有することを特徴としている。第１の容量電極１３と第２の基準電極２３とが容量結合するが、同時に、第１の容量電極１３が、第２の容量電極１５と対向する対向部１３ａと、対向部１３ａを除く非対向部１３ｂとを有することから、この容量結合とは異なる形状で第１の容量電極１３と第２の容量電極１５とが容量結合する。そして、第１の容量電極１３と第２の基準電極２３との容量結合と、第１の容量電極１３と第２の容量電極１５との容量結合と、の相互作用により、第１の容量電極と基準電極との間の容量結合における結合具合が変化する。そのため、共振周波数の２倍の周波数帯域における減衰に対応する減衰帯域を通過帯域に近づけることができる。これにより、共振周波数自体の変化は抑制しつつも、共振周波数の２倍の周波数帯域における減衰に対応する減衰帯域を通過帯域に近づけることができる。

具体的には、本実施形態のバンドパスフィルタ１にかかる回路では、図４に示すように、入力側共振回路と出力側共振回路との間において、結合電極１７と第１の容量電極１３との間での容量Ｃ１及び結合電極１７と第２の容量電極１５との間での容量Ｃ２を有している。そして、第１の容量電極１３及び第２の容量電極１５が上記形態であることにより、第１の容量電極１３と第２の容量電極１５との間で容量Ｃ４ができる。これにより、共振周波数自体の変化は抑制しつつも、共振周波数の２倍の周波数帯域における減衰に対応する減衰帯域を通過帯域に近づけることができる。結果として、通過帯域における信号の減衰は抑制しつつも通過帯域近傍の周波数帯域における信号をより大きく減衰させることができる。

本実施形態においては、図３に示すように、共振電極７の長手方向に対して平行な方向における第１の容量電極１３の長さ（以下、単に、第１の容量電極１３の長さ、とする）Ｌ１が、共振電極７の長手方向に対して平行な方向における第２の容量電極１５の長さ（以下、単に、第２の容量電極１５の長さ、とする）Ｌ２よりも長い。これにより、第１の容量電極１３が、第２の容量電極１５と対向する対向部１３ａと、対向部１３ａを除く非対向部１３ｂとを有することができる。そして、第２の容量電極１５の長さＬ２が第１の容量電極１３の長さＬ１よりも短いことにより、第２の容量電極１５におけるλ／２の極周波数を変化させることができるので、共振周波数の２倍の周波数帯域における減衰に対応する減衰帯域を通過帯域に近づけることができる。

また、積層体５を平面視した場合に、第２の容量電極１５が、全面が第１の容量電極１３と対向し、第１の容量電極１３が、第２の容量電極１５と対向する対向部１３ａと、対向部１３ａを除く非対向部１３ｂとを有するためには、図２、３示すように、第２の容量電極１５の長さを第１の容量電極１３の長さよりも短くしてもよいが、図５に示すように、第２の容量電極１５が、一方の端部に切り欠き部１９を有し、第１の容量電極１３における上記の切り欠き部１９と対向する部分が非対向部１３ｂであるように第１の容量電極１３及び第２の容量電極１５を配設してもよい。

本実施形態のバンドパスフィルタ１は、図３に示すように、第１の誘電体層３を含む複数の誘電体層３が積層された積層体５を備えている。積層体５及び誘電体層３の形状や寸法は、使用される周波数や用途に応じて設定される。例えば、誘電体層３の厚みは、誘電体層３を介して対向する第１の容量電極１３と第２の容量電極１５の間で電気的な短絡が生じないように、絶縁性を確保するのに十分な厚みを有していることが好ましい。

誘電体層３としては、例えば、セラミック材料のような無機材料及び樹脂材料を用いることができる。具体的には、セラミック材料としては、例えば、アルミナセラミックス、ムライトセラミックス及びガラスセラミックスを用いることができる。また、樹脂材料としては、例えば、四フッ化エチレン―エチレン樹脂（ポリテトラフルオロエチレン；ＰＴＦＥ）、四フッ化エチレン―エチレン共重合樹脂（テトラフルオロエチレン―エチレン共重合樹脂；ＥＴＦＥ）及び四フッ化エチレン―パーフルオロアルコキシエチレン共重合樹脂（テトラフルオロエチレン―パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合樹脂；ＰＦＡ）のようなフッ素樹脂、ガラスエポキシ樹脂並びにポリイミドを用いることができる。

本実施形態のバンドパスフィルタ１においては、図２に示すように、積層体５の表面には第１の基準電極２１及び第２の基準電極２３が配設されている。より具体的には、積層体５の積層方向の一方の端部（図２においては上面）に第１の基準電極２１が配設され、積層体５の積層方向の他方の端部（図２においては下面）に第２の基準電極２３が配設されている。

第１の基準電極２１及び第２の基準電極２３は、積層体５の上面及び下面の全体にそれぞれ配設されていることが好ましい。これにより、積層体５の内部における信号の伝達に伴い生じる電磁波の外部への漏洩を抑制することができるからである。ただし、本実施形態のように、入力端子９及び出力端子１１（以下、単に入出力端子ともいう）が、積層体５の上面又は下面において外部に取り出されている場合には、入出力端子との電気的な短絡を防止するため、入出力端子と離隔するように、入出力端子の取り出し口を除く部分に配設されていることが好ましい。

第１の基準電極２１及び第２の基準電極２３は、アース電位のような基準電位となるように外部配線（非図示）に接続される。このとき、第１の基準電極２１と第２の基準電極２３とが互いに離隔して、第１の基準電極２１及び第２の基準電極２３が、それぞれ外部配線に接続されてもよいが、積層体５の側面に第３の基準電極２５を配設し、この第３の基準電極２５を介して第１の基準電極２１と第２の基準電極２３とが接続され、第１の基準電極２１又は第２の基準電極２３のいずれかに外部配線が接続されていることが好ましい。これにより、外部配線の数を減らすことができるので、バンドパスフィルタ１を製造する工程を減らすことができるからである。

また、図２に示すように、本実施形態のバンドパスフィルタ１は、第１の容量電極１３と第２の容量電極１５との間に位置して、誘電体層３を介して第１の容量電極１３及び第２の容量電極１５と対向する結合電極１７を備えている。このような結合電極１７を備えることにより、複数の共振電極７間における容量結合を調整することができる。

第１の誘電体層３の主面上には、一対の共振電極７が並設されている。共振電極７は導電部材１８を介して第１の容量電極１３及び第２の容量電極１５に電気的に接続されている。この隣り合う共振電極７が電磁界結合することにより、入力信号における通過帯域に対応する波長成分を取り出すことができる。このとき、第１の容量電極１３と第２の基準電極２３との間の接地容量Ｃ３の波長短縮効果、及び、共振電極７の長さが通過帯域に対応する波長成分の略１／４であることによるλ／４共振を利用して、効率よく入力信号における通過帯域に対応する波長成分を取り出すことができる。なお、共振電極７としては、第１の基準電極２１と同様の金属材料を用いることができる。

また、本実施形態のバンドパスフィルタ１は、複数の共振電極７に信号を入力するための入力端子９及び複数の共振電極７から信号を出力するための出力端子１１を備えている。より具体的には、本実施形態における入力端子９は、一対の共振電極７の一方と電気的に接続され、積層体５の上面に引き出されている。また、本実施形態における出力端子１１は、一対の共振電極７の他方と電気的に接続され、積層体５の上面に引き出されている。

入力端子９を介して共振電極７に信号を入力し、出力端子１１を介して共振電極７から信号を出力することにより、通過帯域を除く周波数帯域での信号が減衰され、通過帯域にピークを持つ信号を取り出すことができる。

次に、本発明の第２の実施形態にかかるバンドパスフィルタ１について説明をする。

図６〜８に示すように、本実施形態のバンドパスフィルタ１は、第１の実施形態と比較して、第２の容量電極１５が、一方の端部に切り欠き部１９を有し、第１の容量電極１３の切り欠き部１９と対向する部分が非対向部１３ｂである。さらに、本実施形態のバンドパスフィルタ１における第２の容量電極１５は、一方の端部において第１の容量電極１３と電気的に接続されている。より具体的には、本実施形態のバンドパスフィルタ１は、第１の容量電極１３が、一方の端部において、第２の容量電極１５と接続される接続部と、第２の容量電極１５の切り欠き部１９を通じて共振電極７と接続される接続部とを有している。

このように、第２の容量電極１５は、第１の容量電極１３を介して共振電極７と電気的に接続され、直接第２の容量電極１５が共振電極７と接続されていない。そのため、入力端子９及び出力端子１１と共振電極７は第１の容量電極１３と第２の容量電極１５との間で形成される容量Ｃ４を介して接続されるので、入力端子９及び出力端子１１は容量性に見える。このように、第２の容量電極１５は、第１の容量電極１３を介して共振電極７と電気的に接続され、直接第２の容量電極１５が共振電極７と接続されていないことにより、通過帯域より低周波側の減衰特性を向上させることができる。

次に、本発明の第３の実施形態にかかるバンドパスフィルタ１について説明をする。

図９〜１１に示すように、本実施形態のバンドパスフィルタ１は、第１の実施形態と比較して、第２の容量電極１５と誘電体層３を介して対向するとともに入力端子９または出力端子１１と接続された対向電極２７を備えていることを特徴とする。つまり、入力端子９及び出力端子１１が対向電極２７と接続され、誘電体層３を介して対向電極２７と第２の容量電極１５とが電磁界結合することで信号が入出力されることにより、通過帯域より低周波側の減衰特性がさらに向上する。

次に、本発明の高周波モジュール２９及び無線通信機器３７について以下に説明する。

図１２に示すように、本実施形態の高周波モジュール２９は、上記いずれかに記載のバンドパスフィルタ１と、バンドパスフィルタ１の第２の端部側（図１２においては上面側）に配設され、バンプ３１を介してバンドパスフィルタ１と電気的に接続された集積回路３３と、バンドパスフィルタ１の第１の端部側（図１２においては下面側）に配設され、バンプ３１を介してバンドパスフィルタ１と電気的に接続されたプリント基板３５とを備えている。

そして、本実施形態の無線通信機器３７は、上記の高周波モジュール２９と、プリント基板３５を介してバンドパスフィルタ１に電気的に接続されたベースバンド部３９と、プリント基板３５を介してバンドパスフィルタ１に電気的に接続されたアンテナ４１とを備えている。

本実施形態の高周波モジュール２９および無線通信機器３７によれば、従来のバンドパスフィルタ１と比較して、第１の容量電極１３及び第２の容量電極１５を有し、積層体５を平面視した場合に、第２の容量電極１５が、全面が第１の容量電極１３と対向するとともに、第１の容量電極１３が、第２の容量電極１５と対向する対向部１３ａと、該対向部１３ａを除く非対向部１３ｂとを有している。そのため、共振周波数自体の変化は抑制しつつも、共振周波数の２倍の周波数帯域における減衰に対応する減衰帯域を通過帯域に近づけることができる。これにより、受信感度が向上するとともに送信信号および受信信号の増幅度を小さくできるので増幅回路における消費電力が少なくなる。結果として、受信感度が高く消費電力が少ない高性能な高周波モジュール２９および無線通信機器３７を得ることができる。

なお、本実施形態においては、集積回路３３が、バンドパスフィルタ１の第２の端部側に配設されるとともにバンプ３１を介してバンドパスフィルタ１と電気的に接続している。また、プリント基板３５が、バンドパスフィルタ１の第１の端部側に配設されるとともにバンプ３１を介してバンドパスフィルタ１と電気的に接続されている。ここで、バンドパスフィルタ１を内蔵した基板を用いて、集積回路３３を、基体の第２の端部側に配設するとともにバンプ３１を介して基体と電気的に接続し、プリント基板３５を、基体の第１の端部側に配設するとともにバンプ３１を介して基体と電気的に接続してもよい。

図５に示す実施形態にかかるバンドパスフィルタ１の伝送特性を電磁界シミュレーションにて計算した。

図５に示すように、本実施例のバンドパスフィルタ１は、第２の容量電極１５が、一方の端部に切り欠き部１９を有し、第１の容量電極１３における上記の切り欠き部１９と対向する部分が非対向部１３ｂであるように第１の容量電極１３及び第２の容量電極１５が配設されている。

厚みが上から順に、１５０μｍ、７５μｍ、２５μｍ、２５μｍ、２５μｍとする５つの誘電体層３を積層することにより積層体５を形成した。このとき、上から３つ目の誘電体層３を第１の誘電体層とした。積層体５の積層方向の一方の端部及び他方の端部には、それぞれ第１の基準電極２１及び第２の基準電極２３を配設した。第１の基準電極２１及び第２の基準電極２３は、寸法を２．４ｍｍ×１．２ｍｍとした。また、第１の基準電極２１には、入力端子９及び出力端子１１を配置するための０．５ｍｍ×０．５ｍｍの開口部を２つ形成した。

また共振電極７としては、寸法が０．８ｍｍ×０．１５ｍｍであって共振周波数が５ＧＨｚ帯となるものを用いた。この共振電極７を０．１２５ｍｍの間隔で第１の誘電体層３の主面上に横並びに２つ配設した。それぞれの共振電極７における一方の端部は第１の基準電極２１及び第２の基準電極２３に電気的に接続されている。第１の容量電極１３としては寸法が３．５ｍｍ×１．２２５ｍｍのものを用いた。第２の容量電極１５としては、寸法が３．５ｍｍ×１．２２５ｍｍであって、共振電極７と接続する側の端部に０．２５ｍｍ×０．２ｍｍの切り欠きを設けたものを用いた。入力端子９及び出力端子１１は、寸法を０．２ｍｍ×０．２ｍｍとした。また、入力端子９及び出力端子１１は、それぞれ第２の容量電極１５の端部に接続されている。

以上の形状の実施例にかかるバンドパスフィルタのフィルタ特性を図１３に示す。図１３において、実線は本実施例にかかるバンドパスフィルタのフィルタ特性の特性曲線である。また、破線は、比較例のフィルタ特性の特性曲線である。ここで、比較例としては、本実施形態と比較して、第２の容量電極１５に切り欠き部分がなく、第１の容量電極１３が対向部１３ａのみからなる構造のものを用いた。

図１３より分かるように、本実施例にかかるバンドパスフィルタは、比較例にかかるバンドパスフィルタと比較して、共振周波数の２倍の周波数帯域である１０ＧＨｚ帯における減衰帯域が、通過帯域である５ＧＨｚ帯に近づけられている。結果として、本実施例にかかるバンドパスフィルタは、比較例にかかるバンドパスフィルタと比較して、減衰特性を急峻なものとなっていることが分かる。

本発明の第１の実施形態におけるバンドパスフィルタを示す斜視図である。 図１に示す実施形態の分解斜視図である。 図２に示す実施形態のＡ−Ａ断面図である。 図１に示す実施形態の等価回路図である。 本発明の第１の実施形態におけるバンドパスフィルタの変形例を示す分解斜視図である。 本発明の第２の実施形態におけるバンドパスフィルタを示す分解斜視図である。 図６に示す実施形態のＡ−Ａ断面図である。 図６に示す実施形態のＢ−Ｂ断面図である。 図６に示す実施形態の等価回路図である。 本発明の第３の実施形態におけるバンドパスフィルタを示す分解斜視図である。 図９に示す実施形態のＡ−Ａ断面図である。 図９に示す実施形態の等価回路図である。 本発明の一実施形態にかかる高周波モジュール及び無線通信機器を示す概念図 図５に示すバンドパスフィルタのフィルタ特性である。である。

符号の説明

１・・・バンドパスフィルタ
３・・・誘電体層
５・・・積層体
７・・・共振電極
９・・・入力端子
１１・・・出力端子
１３・・・第１の容量電極
１３ａ・・・対向部
１３ｂ・・・非対向部
１５・・・第２の容量電極
１７・・・結合電極
１８・・・導電部材
１９・・・切り欠き部
２１・・・第１の基準電極
２３・・・第２の基準電極
２５・・・第３の基準電極
２７・・・対向電極
２９・・・高周波モジュール
３１・・・バンプ
３３・・・集積回路
３５・・・プリント基板
３７・・・無線通信機器
３９・・・ベースバンド部
４１・・・アンテナ

Claims (8)

1. 第１の誘電体層を含む複数の誘電体層が積層された積層体と、
   該積層体の一方の端部に配設された基準電極と、
   前記第１の誘電体層の主面上に並設された複数の共振電極と、
   該複数の共振電極に信号を入力するための入力端子と、
   前記複数の共振電極から信号を出力するための出力端子と、
   前記共振電極と電気的に接続された第１の容量電極と、
   前記第１の容量電極と電気的に接続されるとともに前記誘電体層を介して前記第１の容量電極と対向する第２の容量電極とを備えたバンドパスフィルタであって、
   前記第１の容量電極と前記第２の容量電極との間に、前記第１の容量電極および前記第２の容量電極とそれぞれ前記誘電体層を介して対向する結合電極をさらに備えており、
   前記第１の容量電極と前記結合電極との間に第１の容量を有しているとともに、
   前記第２の容量電極と前記結合電極との間に第２の容量を有しており、
   前記積層体を平面視した場合に、前記第２の容量電極は、全面が前記第１の容量電極と対向し、前記第１の容量電極は、前記第２の容量電極と対向する対向部と、該対向部を除く非対向部とを有することを特徴とするバンドパスフィルタ。
2. 前記第２の容量電極は、一方の端部に切り欠き部を有し、前記第１の容量電極の前記切り欠き部と対向する部分が非対向部であることを特徴とする請求項１に記載のバンドパスフィルタ。
3. 前記第２の容量電極は、前記一方の端部において前記第１の容量電極と電気的に接続されていることを特徴とする請求項２に記載のバンドパスフィルタ。
4. 前記共振電極の長手方向に平行な方向における前記第２の容量電極の長さが、前記共振電極の長手方向に平行な方向における前記第１の容量電極の長さよりも短いことを特徴とする請求項１に記載のバンドパスフィルタ。
5. 前記第２の容量電極は、前記第１の容量電極を介して、前記共振電極と電気的に接続されたことを特徴とする請求項１に記載のバンドパスフィルタ。
6. 前記入力端子及び前記出力端子の少なくとも一方は、前記第２の容量電極に接続されていることを特徴とする請求項１に記載のバンドパスフィルタ。
7. 請求項１〜６のいずれかに記載のバンドパスフィルタを備えたことを特徴とする高周波モジュール。
8. 請求項７に記載の高周波モジュールを備えたことを特徴とする無線通信機器。