JP5227837B2 - フィルタ回路 - Google Patents

Description

本発明は、高周波帯用フィルタの技術分野に関するものである。

従来より、無線通信機、レーダ等の高周波信号を用いる高周波回路システムでは、所望の周波数帯域の信号と、不要な周波数帯の信号を分離するため、各種フィルタが用いられる。フィルタには、通過、遮断特性によって、バンドパスフィルタ（以下では、ＢＰＦという）、バンドリジェクトフィルタ（以下では、ＢＲＦという）、ローパスフィルタ（以下では、ＬＰＦという）、ハイパスフィルタ（以下では、ＨＰＦという）があり、目的に応じて使い分けられている。従来の高周波帯用のＢＰＦを伝搬路に接続した一例を図４に示す。同図に示す高周波帯用のフィルタ４０は、所望の周波数帯域（以下では、使用周波数成分という）の信号を通過させ、それ以外の周波数帯域（以下では、不要周波数成分という）の信号を遮断するフィルタ部４１を備えている。高周波信号を伝送するために、フィルタ４０の入力側及び出力側には、伝搬路４２、４３がそれぞれ接続されている。

伝搬路４２から入力した高周波信号は、使用周波数成分がフィルタ部４１を通過して伝搬路４３に出力される一方、不要周波数成分がフィルタ部４１で反射されて伝搬路４２に出力される。フィルタ部４１の通過帯域のインピーダンスは、通常伝搬路４２、４３の特性インピーダンスと一致するようにインピーダンス調整されている。

従来のフィルタ４０の反射特性及び通過特性の一例を図５に示す。図５はフィルタ４０の使用周波数成分の中心周波数を２６．５ＧＨｚとしたときの特性を示しており、図５（ａ）は反射特性を示すグラフであり、図５（ｂ）はフィルタ４０の通過特性を示すグラフである。同図に示すフィルタ４０の反射特性及び通過特性より、２６．５ＧＨｚを中心とする使用周波数成分がフィルタ４０を通過し、それ以外の不要周波数成分が略全反射され、遮断されていることがわかる。

フィルタ４０は、上記のように不要周波数成分をできるだけ通過させないように設計されているが、フィルタの種類によっては、使用周波数成分の高調波周波数成分（スプリアス信号）については、これを十分に除去できないことがあった。このような高調波周波数成分を抑制するために、特許文献１ではＢＰＦの出力側にスタブ型共振子を設けており、これによりＢＰＦの出口側に高調波周波数成分が出力されるのを抑制可能とする技術が開示されている。

特開平０８−３３５８９７号公報

一方、フィルタ部４１で反射される不要周波数成分については、これまでフィルタ４０内でとくに処理を行うことはなかった。しかしながら、不要周波数成分内の所定の信号が、放射、電磁結合などにより他の経路から伝播することにより、発振、スプリアス発射などのおそれがある。

そこで、本発明は上記問題を解決するためになされたものであり、入力ポートから入力される高周波信号やフィルタ部４１の入力側で反射される不要周波数成分の所定の周波数成分を低減するフィルタ回路を提供することを目的とする。

本発明のフィルタ回路の第１の態様は、誘電体基板面にマイクロストリップラインで構成されて入力ポート及び出力ポートを有するフィルタ回路であって、フィルタ本体と、前記入力ポートと前記フィルタ本体の入力側との間に接続され、前記フィルタ本体の使用周波数ｆ０の成分は吸収せず前記使用周波数ｆ０の高調波または低調波である不要周波数ｆ１の成分のみを吸収するスタブ回路と、を備え、前記スタブ回路は、先端開放スタブまたは先端短絡スタブと、前記先端開放スタブまたは前記先端短絡スタブと前記入力ポートとの間に接続された抵抗と、を有し、前記不要周波数ｆ１の成分の伝搬路内の波長をλ１とするとき、前記先端開放スタブが(１／４)λ１の奇数倍の長さに前記抵抗の寄生容量と該先端開放スタブの端部効果に対する補正を加えた長さに形成されている、または前記先端短絡スタブが(１／２)λ１の整数倍の長さに前記抵抗の寄生容量と該先端短絡スタブの端部効果に対する補正を加えた長さに形成されていることを特徴とする。この態様によれば、スタブ回路を設けることで、フィルタ本体で反射される信号のうち、所定の周波数の信号をスタブ回路で低減させることが可能となる。

本発明のフィルタ回路の他の態様は、前記フィルタ本体は、バンドパスフィルタであることを特徴とする。

本発明のフィルタ回路の他の態様は、前記スタブ回路は、少なくとも（１／２）ｆ０と（３／２）ｆ０の両方を吸収することを特徴とする。

本発明のフィルタ回路は、使用周波数成分ｆ０の少なくとも一つの高調波又は低調波を生成する非線形回路を備え、前記フィルタ回路の前記入力ポートに、非線形回路の出力ポートが接続されていることを特徴とする高周波回路中で用いられる。この態様によれば、非線形回路で生成された高調波又は低調波信号がフィルタ本体で反射される信号はスタブ回路で低減させることが可能となる。

本発明のフィルタ回路は、使用周波数成分ｆ０の少なくとも一つの高調波又は低調波を生成する非線形回路を備え、前記フィルタ回路の前記入力ポートに、非線形回路の出力ポートが接続されていることを特徴とする高周波回路を有する無線通信機又はレーダ装置で用いられる。この態様によれば、非線形回路で生成された高調波又は低調波信号がフィルタ本体で反射される信号はスタブ回路で低減されるので、発振、スプリアス発射のない無線通信機又はレーダ装置を提供する事が可能となる。

以上説明したように本発明によれば、所定のスタブ回路を用いてフィルタ本体での不要帯域の所定の周波数成分の反射信号を低減させることで、該周波数成分での発振、スプリアス発射などを防止できるバンドパスフィルタを提供することができる。

本発明の実施形態に係るフィルタ回路の概略構成を示すブロック図である。 先端開放スタブの一例を示すブロック図である。 先端短絡スタブの一例を示すブロック図である。 従来のフィルタ回路の概略構成を示すブロック図である。 （ａ）は反射特性のグラフであり、（ｂ）は通過特性のグラフである。 （ａ）は反射特性のグラフであり、（ｂ）は通過特性のグラフである。 （ａ）は反射特性のグラフであり、（ｂ）は通過特性のグラフである。 （ａ）は反射特性のグラフであり、（ｂ）は通過特性のグラフである。

（発明の原理）
本発明の好ましい実施の形態におけるフィルタ回路について、図面を参照して詳細に説明する。同一機能を有する各構成部については、図示及び説明簡略化のため、同一符号を付して示す。本発明は、通信機器、またはレーダシステム等の高周波回路に用いられる高周波帯用のフィルタ回路に係り、特にフィルタ本体で反射させた不要周波数成分のうち、発振、スプリアス発射などのおそれのある周波数成分を低減するように構成されたフィルタ回路を提供する。

本発明の実施の形態に係るフィルタ回路を図１を用いて以下に説明する。図１は、本実施形態のフィルタ回路の概略構成を示すブロック図である。本実施形態のフィルタ回路１００は、フィルタ部１１０とその入力側にスタブ回路１２０を備えており、信号の伝搬路として入力側と出力側にそれぞれマイクロストリップライン（以下では、ＭＳＬという）１０１、１０２が接続されている。ＭＳＬ１０１から高周波信号１０がフィルタ回路１００に入力されると、使用周波数成分１１のみを通過させてＭＳＬ１０２側に出力し、それ以外の不要帯域成分１２についてはＭＳＬ１０１側に反射させる。

スタブ回路１２０は、フィルタ部１１０で反射された不要帯域成分１２のうち、発振、スプリアス発射等のおそれのある周波数成分を除去するために設けられている。以下では、スタブ回路１２０で除去する周波数成分の信号を、除去対象信号ということとする。フィルタ回路１００に入力される高周波信号１０は、通常通過帯域に高い電力を有していることから、その高調波、低調波成分等も高い電力を有することがある。この高調波、低調波成分等は通過帯域外の周波数成分であり、フィルタ部１１０で反射される不要帯域成分である。そこで本実施形態では、この高調波成分等の反射信号をスタブ回路１２０で吸収するように構成している。

フィルタ回路１００の通過帯域の中心周波数をｆ０とするとき、高調波、低調波成分等のうち中心周波数ｆ０に最も近い周波数である（１／２）ｆ０及び（３／２）ｆ０の周波数の信号が高い電力を有している。そこで、スタブ回路１２０は、（１／２）ｆ０及び（３／２）ｆ０の周波数を有する信号の反射成分を吸収するように構成される。

スタブ回路１２０は、図１に示すように、所定長さのスタブ１２１と抵抗部１２２とを備えている。スタブ１２１のスタブ長は、上記説明の除去対象信号の波長に基づいて決定されている。スタブ１２１のスタブ長を決定する方法を、図２を用いて以下に説明する。図２は先端開放スタブの一例を示すブロック図である。

先端開放スタブ２０の電気長をθとしスタブ長をＬとするとき、先端開放スタブ２０を伝送線路２１側から見た入力インピーダンスＺinは、

で与えられる。ここで、Ｚosは、先端開放スタブ２０の特性インピーダンスである。

先端開放スタブ２０を用いてスタブ１２１を構成する場合、周波数がｆaで伝送線路中の波長がλaの高周波信号を抵抗部１２２で吸収するためには、式（１）において、λ＝λaのときにＺin＝０を満たすように先端開放スタブ２０のスタブ長Ｌを設定する必要がある。すなわち、スタブ長Ｌが

を満たすように設定する。これより、

が得られる。式（３）を満たす図２に示すスタブ長Ｌの先端開放スタブ２０を形成することで、スタブ回路１２０は、波長λａ（周波数ｆａ）の周波数において、抵抗部１２２のスタブ１２１側が接地されたのと等価となる。

抵抗部１２２は、周波数ｆａでのフィルタ部１１０のインピーダンスと、スタブ回路１２０の合成インピーダンスが、伝送線路の特性インピーダンスと一致するよう適宜選定すればよい。

図１に示す本実施形態のフィルタ回路１００では、スタブ１２１を用いて周波数が（１／２）ｆ０及び（３／２）ｆ０の信号を除去するように構成するために、上記式（３）において、λａ＝２・λ０（ｆa＝（１／２）ｆ０）としてスタブ１２１のスタブ長Ｌを決定する。すなわち、スタブ長Ｌ＝λa／４＝λ０／２とするのがよい。このとき、入力インピーダンスＺinは、式（１）より次式で与えられる。

上式（４）において、λ＝２・λ０（ｆ＝（１／２）ｆ０）及びλ＝（２／３）λ０（ｆ＝（３／２）ｆ０）としたとき入力インピーダンスＺin＝０となり、スタブ１２１は周波数（１／２）ｆ０と（３／２）ｆ０の除去対象信号の反射成分を吸収するよう作用する。すなわち、図１に示すフィルタ部１１０で反射された不要帯域成分１２のうち、発振、スプリアス発射のおそれのある周波数（１／２）ｆ０及び（３／２）ｆ０の除去対象信号を、スタブ回路１２０で吸収することが可能となっている。

一方、周波数ｆ０で波長λ０の通過帯域の信号に対しては、式（４）においてλ＝λ０（ｆ＝ｆ０）としたとき入力インピーダンスＺin＝∞となる。すなわち、周波数ｆ０において、抵抗部１２２のスタブ１２１先端側が開放され、スタブ回路１２０が接続されていないのと等価となるため、フィルタ回路１００の通過帯域の信号は、スタブ回路１２０の影響を受けない。すなわち、ＭＳＬ１０１を伝送してフィルタ部１１０に入力される高周波信号１０の通過帯域成分（使用周波数成分）１１は、スタブ回路１２０側に伝送されることなくこれを通過し、フィルタ部１１０に入力される。よって、通過帯域成分１１がスタブ回路１２０で減衰されるおそれはない。

次に、スタブ１２１のスタブ長を決定する別の方法を、図３を用いて以下に説明する。図３は先端短絡スタブの一例を示すブロック図である。

先端短絡スタブ３０の電気長をθとしスタブ長をＬとするとき、先端短絡スタブ３０を伝送線路３１側から見た入力インピーダンスＺinは、

で与えられる。ここで、Ｚssは、先端短絡スタブ２０の特性インピーダンスである。

先端短絡スタブ３０を用いてスタブ１２１を構成する場合、周波数がｆｂで伝送線路中の波長がλｂの高周波信号を抵抗部１２１で吸収するためには、式（１）において、λ＝λｂのときにＺin＝０を満たすように先端短絡スタブ３０のスタブ長Ｌを設定する必要がある。すなわち、スタブ長Ｌが

を満たすように設定する。これより、

が得られる。式（７）を満たす図３に示すスタブ長Ｌの先端短絡スタブ３０を形成することで、スタブ回路１２０は、波長λｂ（周波数ｆｂ）の周波数において、抵抗部１２２のスタブ１２１先端側が接地されたのと等価となる。

抵抗部１２２は、周波数ｆｂでのフィルタ部１１０のインピーダンスと、スタブ回路１２０の合成インピーダンスが、伝送線路の特性インピーダンスと一致するよう適宜選定すればよい。

図１に示す本実施形態のフィルタ回路１００では、スタブ１２１を用いて周波数が２ｆ０の信号を除去するように構成するために、上記式（７）において、λｂ＝λ０／２（ｆｂ＝２ｆ０）としてスタブ１２１のスタブ長Ｌを決定する。すなわち、スタブ長Ｌ＝λｂ／２＝λ０／４とするのがよい。このとき、入力インピーダンスＺinは、式（４）より次式で与えられる。

上式（８）において、λ＝λ０／２（ｆ＝２ｆ０）としたとき入力インピーダンスＺin＝０となり、スタブ１２１は周波数２ｆ０の除去対象信号の反射成分を吸収するよう作用する。すなわち、図１に示すフィルタ部１１０で反射された不要帯域成分１２のうち、発振、スプリアス発射のおそれのある周波数２ｆ０の除去対象信号を、スタブ回路１２０で吸収することが可能となっている。

一方、周波数ｆ０で波長λ０の通過帯域の信号に対しては、式（８）においてλ＝λ０（ｆ＝ｆ０）としたとき入力インピーダンスＺin＝∞となる。すなわち、周波数ｆ０において、抵抗部１２２のスタブ１２１側が開放され、スタブ回路１２０が接続されていないのと等価となるため、フィルタ回路１００の通過帯域の信号は、スタブ回路１２０の影響を受けない。すなわち、ＭＳＬ１０１を伝送してフィルタ部１１０に入力される高周波信号１０の通過帯域成分１１は、スタブ回路１２０側に伝送されることなくこれを通過し、フィルタ部１１０に入力される。よって、通過帯域成分１１がスタブ回路１２０で減衰されるおそれはない。

以上のように、発振、スプリアス発射などのおそれのある除去対象信号の周波数と、使用周波数の関係に応じて、先端開放スタブ、先端短絡スタブを使い分ける事ができる。

（第一の実施形態）
本実施形態のフィルタ回路１００の一実施例を以下に説明する。ここでは、フィルタ回路１００は中心周波数ｆ０を２６．５ＧＨｚとしたバンドパスフィルタであり、フィルタ回路１００に用いる基板の比誘電率を３．６６とする。除去対象信号の周波数を１３．２５ＧＨｚ及び３９．７５ＧＨｚとすると、このとき、伝搬路内の波長λは１３．２５ＧＨｚで１３．４５ｍｍとなる。先端開放スタブ１２１の長さＬは式（３）より、３．３５ｍｍと算出されるが、抵抗部１２２の寄生容量および、先端開放スタブの端部効果を考慮して２．１８ｍｍとした。先端開放スタブ１２１の幅は、略０．５ｍｍとしている。さらに、抵抗部１２２の抵抗値については、５１Ωとしたときと３９Ωとしたときの実施例を示す。

スタブ回路１２０を上記のように構成したときのフィルタ回路１００の入力反射特性、及び通過特性の一例を図６に示す。図６（ａ）は、反射特性を示すグラフであり、図６（ｂ）通過特性を示すグラフである。また、符号６０はスタブ回路１２０を設けないフィルタ回路の反射特性及び通過特性を示し、符号６１は抵抗部１２２の抵抗値を５１Ωとしたフィルタ回路の反射特性及び通過特性を示し、符号６２は抵抗部１２２の抵抗値を３９Ωとしたフィルタ回路の反射特性及び通過特性を示している。

図６（ａ）に示す反射特性より、周波数が（１／２）ｆ０に相当する１３．２５ＧＨｚ及び（３／２）ｆ０に相当する３９．７５ＧＨｚにおいて、スタブ回路１２０を設けない符号６０に比べてスタブ回路１２０を設けた符号６１、６２の方が、反射特性が大きく改善していることがわかる。すなわち、スタブ回路１２０を設けることで、１３．２５ＧＨｚ及び３９．７５ＧＨｚにおける反射量が低減されており、これによりこれらの周波数帯における発振、スプリアス発射のおそれを抑制することが可能となっている。

また、図６（ｂ）に示す通過特性では、符号６０、６１、６２のいずれとも大きな差がないことがわかる。とくに、２６．５ＧＨｚ帯の通過帯域では、３者の間でほとんど差が見られない。これより、スタブ回路１２０を設けてもＢＰＦ１１０の通過特性にはほとんど影響しないことがわかる。

（第２の実施形態）
ここでは、フィルタ回路１００は中心周波数ｆ０を２６．５ＧＨｚとしたバンドパスフィルタであり、フィルタ回路１００に用いる基板の比誘電率を３．６６とする。除去対象信号の周波数を３９．７５ＧＨｚとすると、伝搬路内の波長は４．３９ｍｍとなる。先端短絡スタブ１２１の長さＬは式（７）より、２．１９ｍｍと算出されるが、抵抗部１２２の寄生容量および、短絡部構造を考慮して１．２５ｍｍとした。先端短絡スタブ１２１の幅は、略０．５ｍｍとしている。さらに、抵抗部１２２の抵抗値については、３３Ωとしたときの実施例を示す。

スタブ回路１２０を上記のように構成したときのフィルタ回路１００の入力反射特性、及び通過特性の一例を図７に示す。図７（ａ）は、反射特性を示すグラフであり、図７（ｂ）は通過特性を示すグラフである。また、符号７０はスタブ回路１２０を設けないフィルタ回路の反射特性及び通過特性を示し、符号７１は抵抗部１２２の抵抗値を３３Ωとしたフィルタ回路の反射特性及び通過特性を示している。

図７（ａ）に示す反射特性より、周波数が（３／２）ｆ０に相当する３９．７５ＧＨｚにおいて、スタブ回路３２０を設けない符号７０に比べてスタブ回路１２０を設けた符号７１の方が、反射特性が大きく改善していることがわかる。すなわち、スタブ回路１２０を設けることで、３９．７５ＧＨｚにおける反射量が低減されており、これによりこれらの周波数帯における発振、スプリアス発射のおそれを抑制することが可能となっている。

また、図７（ｂ）に示す通過特性では、符号７０、７１のいずれも大きな差がないことがわかる。とくに、２６．５ＧＨｚ帯の通過帯域では、両者の間でほとんど差が見られない。これより、スタブ回路１２０を設けてもＢＰＦ１１０の通過特性にはほとんど影響しないことがわかる。

（第三の実施形態）
ここでは、フィルタ回路１００はカットオフ周波数を１６．８ＧＨｚのローパスフィルタであり、フィルタ回路１００に用いる基板の比誘電率を３．６６とする。除去対象信号の周波数を２６．５ＧＨｚとすると、伝搬路内の波長は６．６６ｍｍとなる。先端開放スタブ１２１の長さＬは式（３）より、１．６６ｍｍと算出されるが、抵抗部１２２の寄生容量および、先端開放スタブの端部効果を考慮して０．５ｍｍとした。先端開放スタブ１２１の幅は、略０．５ｍｍとしている。さらに、抵抗部１２２の抵抗値については、３９Ωとしたときの実施例を示す。

スタブ回路１２０を上記のように構成したときのフィルタ回路１００の入力反射特性、及び通過特性の一例を図８に示す。図８（ａ）は反射特性を示すグラフであり、図８（ｂ）通過特性を示すグラフである。また、符号８０はスタブ回路１２０を設けないフィルタ回路の反射特性及び通過特性を示し、符号８１は抵抗部１２２の抵抗値を３９Ωとしたフィルタ回路の反射特性及び通過特性を示している。

図８（ａ）に示す反射特性より、周波数が２６．５ＧＨｚにおいて、スタブ回路３２０を設けない符号８０に比べてスタブ回路１２０を設けた符号８１の方が、反射特性が大きく改善していることがわかる。すなわち、スタブ回路１２０を設けることで、２６．５ＧＨｚにおける反射量が低減されており、これによりこれらの周波数帯における発振を抑制することが可能となっている。

また、図８（ｂ）に示す通過特性では、符号８０、８１のいずれとも大きな差がないことがわかる。これより、スタブ回路１２０を設けてもＬＰＦ１１０の通過特性にはほとんど影響しないことがわかる。

上記説明のように、本発明のフィルタ回路によれば、所定のスタブ回路を設けて不要帯域の所定の周波数成分を低減することで、該周波数成分が発振、スプリアス発射するのを防止することが可能となる。また、スタブ回路を設けても通過特性が劣化することがないように構成することができる。

なお、本実施の形態における記述は、本発明に係るフィルタ回路の一例を示すものであり、これに限定されるものではない。本実施の形態におけるフィルタの細部構成及び詳細な動作等に関しては、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。

１００ フィルタ回路
１０１、１０２、２０、３０ マイクロストリップライン
１１０ フィルタ部
１２０ スタブ回路
１２１ スタブ
１２２ 抵抗部
１０ 高周波信号
１１ 通過帯域成分
１２ 不要帯域成分
４２、４３ 伝搬路
２１ 先端開放スタブ
３１ 先端短絡スタブ
４０ フィルタ回路
４１ フィルタ部

Claims (5)

1. 誘電体基板面にマイクロストリップラインで構成されて入力ポート及び出力ポートを有するフィルタ回路であって、
   フィルタ本体と、
   前記入力ポートと前記フィルタ本体の入力側との間に接続され、前記フィルタ本体の使用周波数ｆ０の成分は吸収せず前記使用周波数ｆ０の高調波または低調波である不要周波数ｆ１の成分のみを吸収するスタブ回路と、を備え、
   前記スタブ回路は、先端開放スタブまたは先端短絡スタブと、前記先端開放スタブまたは前記先端短絡スタブと前記入力ポートとの間に接続された抵抗と、を有し、
   前記不要周波数ｆ１の成分の伝搬路内の波長をλ１とするとき、
   前記先端開放スタブが(１／４)λ１の奇数倍の長さに前記抵抗の寄生容量と該先端開放スタブの端部効果に対する補正を加えた長さに形成されている、または前記先端短絡スタブが(１／２)λ１の整数倍の長さに前記抵抗の寄生容量と該先端短絡スタブの端部効果に対する補正を加えた長さに形成されている
   ことを特徴とするフィルタ回路。
2. 前記フィルタ本体は、バンドパスフィルタである
   ことを特徴とする請求項１に記載のフィルタ回路。
3. 前記スタブ回路は、少なくとも（１／２）ｆ０と（３／２）ｆ０の両方を吸収する
   ことを特徴とする請求項１または２に記載のフィルタ回路。
4. 請求項１乃至３のいずれかに記載のフィルタ回路と、前記使用周波数ｆ０の成分の少なくとも一つの高調波又は低調波を生成する非線形回路を備え、前記フィルタ回路の前記入力ポートに、前記非線形回路の出力ポートが接続されている
   ことを特徴とする高周波回路。
5. 請求項４に記載の高周波回路を備えた無線通信装置、またはレーダ装置。

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