JP5534892B2 - ヘリカルフィルタ - Google Patents

Description

本発明は、ＶＨＦ乃至ＵＨＦなどの周波数帯域で使用されるバンドパスフィルタに関し、特に高調波成分を抑圧する特性を持ったヘリカルフィルタに関する。

バンドパスフィルタの一つとして、ヘリカルフィルタがある。ヘリカルフィルタは、一端を開放端とし、他端を接地端としたヘリカルコイルを複数個、電磁気的に結合した共振器結合構造を有する。図７に例示する従来のヘリカルフィルタ２１は、２つのヘリカルコイル２２、２３を金属ケース２４内に収容している。金属ケース２４には、所望のインピーダンスに調整された入力端子２５及び出力端子２６が設けられている。各ヘリカルコイル２２、２３は、ボビン２７の周囲に一定のピッチで導体線２９を巻き回してなる。金属ケース２４内には、ヘリカルコイル２２、２３の収容空間を仕切る壁３０が設けられている。壁３０にはコイル間結合調整孔３１が設けられている。各ヘリカルコイル２２、２３は、通過させたい基本波の周波数で共振する周波数特性を持っている。そして、入力信号に含まれる共振周波数の信号成分に対して共振することにより、ヘリカフィルタ２１は所望の減衰特性と通過特性を発揮する。

しかし、ヘリカルフィルタは、互いに同じ周波数で共振するヘリカルコイルを複数個連結した構成上、基本波の周波数の整数倍の周波数帯でも共振する。このため、本来通過させたくない周波数帯であっても、基本波の周波数帯の場合と近い通過特性を持つことがある。特に周波数が基本波の３倍である第３高調波は、基本波とほぼ同一レベルで通過する。

このため、例えば、ＶＨＦ帯の周波数１９１Ｈｚの基本波を通過させるように設計されたヘリカルフィルタでは、その約３倍の周波数に当たるＵＨＦ帯の周波数約５７０ＭＨｚの第３高調波に対して十分な減衰量（通過損失）を確保できないという問題があった。

図８は共振周波数５７０ＭＨｚのヘリカルフィルタの周波数特性の一例を示す図である。横軸は周波数（Ｈｚ）、縦軸は通過損失（ｄＢ）を表している。通過損失が０に近いほど信号が通過しやすいことを示す。この例では、基本波の周波数５７０Ｍｚの約３倍の周波数である約１．６ＧＨｚで信号が低損失で通過していることがわかる。

第３高調波を抑圧する技術として、カットオフ周波数が基本波と第３高調波の間にあるローパスフィルタをヘリカルフィルタに接続する方法が多く用いられる。この方法は、基本波と第３高調波との間の周波数差が十分大きいことを利用した有効な方法である。しかし、この方法では、ローパスフィルタを付加する構成上、部品点数及び部品の実装に要する面積が増加することになり、通信機器の小型・軽量化に支障を来す。

第３高調波を抑圧するその他の従来技術として、フィルタから発生する第３高調波を電波吸収体に吸収させて抑圧するものがある（特許文献１）。この技術は、電波吸収体をフィルタの比較的自由な位置に配置できるため設計が容易であるが、電波吸収体を付加することによる部品点数の増加と加工工数の増加により製造コストが増大するという問題を有する。電波吸収体は第３高調波だけでなく基本波も若干吸収するため、基本波の通過特性を犠牲にすることになる。

更に別の技術として、フィルタを構成する共振器相互間にインダクタンス結合を組み入れた構成とすることにより、高長波に対する減衰特性を改善したものがある（特許文献２）。この技術は、原理的には有効であるが、部品点数の増加や加工工数の増加が顕著であり、量産に向かない。

特開平８−４６４０６号 実公平７−３１６０４号

上述のように従来の技術は何れも一長一短であり、第３高調波を抑圧することと引き替えに部品点数の増加を招くという共通の問題を有している。

本発明が解決しようとする課題は、基本波には影響を及ぼすことなく第３高調波を抑圧できるヘリカルフィルタを提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明は、一端を開放端とし、他端を接地端としたヘリカルコイルを複数個、電磁気的に結合した共振器結合構造を有するヘリカルフィルタにおいて、高調波の周波数帯での抑圧量が増加するように、前記ヘリカルコイルを構成する導体線が一定のピッチで巻かれていないこと、前記導体線のヘリカル形状の部分の全長のうち前記開放端から略１／３の長さの部分のピッチが残りの部分のピッチよりも狭いこと、及び、前記導体線のピッチを部分的に調整するためのピッチ調整機構を有すること、を特徴とする。

本発明のヘリカルコイルにおいて、前記ピッチ調整機構は、前記導体線の一部分を一定のピッチに保持しているピッチ保持部と、当該ピッチ保持部をピッチ方向に移動させてその他の部分のピッチを調整するための操作部とを有することが望ましい。
また、前記ピッチ調整機構は、前記開放端から略１／３の長さの部分と残りの部分のどちらか一方の部分を一定のピッチに保持しているピッチ保持部と、当該ピッチ保持部をピッチ方向に移動させて他方の部分のピッチを調整するための操作部とを有することが望ましい。

本発明によれば、部品点数を増やすことなく、しかも基本波には影響を及ぼすことなく、第３高調波を抑圧できるヘリカルフィルタを実現できる。

本発明に係るヘリカルフィルタの実施形態を例示する概念図 本発明に係るヘリカルフィルタの別の実施形態を例示する概念図 本発明に係るヘリカルフィルタの更に別の実施形態を例示する概念図 従来のヘリカルフィルタのヘリカルコイル内における位置と電流強度及び電圧強度との関係を例示する特性図 本発明のヘリカルフィルタのヘリカルコイル内における位置と電流強度及び電圧強度との関係を例示する特性図 従来のヘリカルフィルタの周波数特性と、本発明の実施例のヘリカルフィルタの周波数特性とを重ねて示した特性図 従来のヘリカルフィルタの構成を例示する概念図 従来のフィルタの周波数特性の一例を示す特性図

以下、本発明の実施形態について説明する。
［実勢形態の構成］
図１の実施形態のヘリカルフィルタ１は、一端を開放端とし、他端を接地端とした２つのヘリカルコイル２、３を金属ケース４内に収容して相互に電磁気的に結合した共振器結合構造を有している。金属ケース４には、所望のインピーダンスに調整された入力端子５及び出力端子６が設けられている。金属ケース４内には、ヘリカルコイル２、３の収容空間を仕切る壁７が設けられている。壁７にはコイル間結合調整孔８が形成されている。
各ヘリカルコイル２、３は、円柱状の同寸のボビン７の周囲にエナメル線等、導体線９を巻き回してなる。各ヘリカルコイル２、３は、通過させたい基本波の周波数で共振する周波数特性を持っている。そして、入力信号に含まれる共振周波数の信号成分に対して共振することにより、ヘリカルフィルタ１は所望の減衰特性と通過特性を発揮する。

各ヘリカルコイル２、３を構成する導体線９は一定のピッチで巻かれていない。具体的には、導体線９のボビン７に巻かれているヘリカル形状の部分の全長のうち開放端から１／３の長さの部分のピッチが残りの部分のピッチよりも小さく選定されている。

［実施形態の作用・効果］
導体線９のピッチを上記のように選定したことにより、基本波に対する通過特性に影響を及ぼすことなく、第３高調波を抑圧する作用・効果が得られる。この作用・効果につき、図４乃至図６を参照して説明する。

図４は巻きピッチ一定のヘリカルコイル内における位置と電流強度及び電圧強度との関係を示している。図５は導体線のヘリカル形状の部分の全長のうち開放端から１／３の長さの部分のピッチが残りの部分のピッチよりも小さいヘリカルコイル内における位置と電流強度及び電圧強度との関係を示している。図４及び図５において、ヘリカルコイル内における位置は、ヘリカルコイルのヘリカル形状の部分の全長を１とし、ヘリカル形状の部分の一端（開放端）を１すなわち位置の最大値、他端（接地端側の端）を０すなわち位置の最小値として規格化して示されている。電流強度及び電圧強度についても、最小値を０、最大値を１として規格化して示されている。

図４において、Ａ点、Ｂ点及びＣ点は、それぞれ、導体線のヘリカル形状の部分の接地端側の端の位置に相当する点、接地端側の端の位置に相当する点からヘリカル形状の部分の全長の約２／３の長さの位置に相当する点、開放端の位置に相当する点である。Ａ点及びＢ点は、第３高調波の場合に電圧が０、電流が最大になる点である。ただし、Ａ点とＢ点とでは、電圧も電流も互いに逆向きになっている。Ａ点での磁界の強さをＨａ、Ｂ点での磁界の強さをＨｂとすると、ヘリカルコイル全体でみた場合、ＨａよりもＨｂの寄与が大きく、磁界の強さＨ１は（Ｈｂの絶対値）−（Ｈａの絶対値）となる。

そこで、第３高調波の抑圧量を増大させるために、ヘリカルコイルの無負荷Ｑ値に着目する。一般的に、ヘリカルコイルの無負荷Ｑ値と挿入損失との間には反比例の関係が成立し、無負荷Ｑ値が小さくなると挿入損失が大きくなる。このことから、第３高調波に対する無負荷Ｑ値が小さくなるようにヘリカルコイルを構成することにより、第３高調波に対する挿入損失の増大、つまり抑圧量の増大が可能になると考えられる。これを実現するために、本発明では、導体線のヘリカル形状の部分の長さのうち開放端から１／３の長さの部分のピッチが残りの部分のピッチよりも小さくなるように巻きピッチを変更する。

図５において、ヘリカル形状の部分の全長の約２／３の長さに相当する点はＢ’点である。ヘリカルコイル全体でみた場合の磁界の強さＨ２は、（Ｈｂ’の絶対値）−（Ｈａ’の絶対値）となる。上記のようにピッチを変更したことにより、Ｂ’点はＢ点（図４）よりもヘリカルコイルの開放端側に移動している。このため、Ｈ２は、ピッチが一定の場合の磁界の強さＨ１よりも小さくなる。
この現象は、第３高調波についてみた場合、ヘリカルコイルに電流が流れにくくなり抵抗が増大していることと等価である。これは、無負荷Ｑ値が小さくなるようにヘリカルコイルが構成されていることを意味している。

図６には、従来のヘリカルフィルタの周波数特性と、本発明の実施例のヘリカルフィルタの周波数特性とが重ねて示されている。両ヘリカルフィルタは共に、全長約１２０ｍｍの導体線でヘリカルコイルを形成し、当該ヘリカルコイルを７ｍｍ角の金属ケース内に収容してなる共振周波数５７０ＭＨｚのフィルタである。従来（比較例）のヘリカルフィルタにおけるヘリカルコイルのピッチは一定とし約０．６ｍｍに選定した。一方、本発明の実施例のヘリカルフィルタにおけるヘリカルコイルのピッチは、ヘリカル形状の部分の全長の２／３の部分（長さ８０ｍｍ分）を０．７５ｍｍに、１／３の部分（長さ４０ｍｍ分）を０．３ｍｍに選定した。

従来のヘリカルフィルタにおいては、第３高調波の周波数は約１．６ＧＨｚである。この第３高調波の通過損失は約８ｄＢとなっている。

実施例のヘリカルフィルタにおいては、第３高調波の周波数は約１．３ＧＨｚとなっている。これはヘリカルコイルのピッチを変更したことに伴い、金属ケース内での電界的な結合量が変化したためであると考えられる。第３高調波の挿入損失は約１８ｄＢであり、第３高調波に対する無負荷Ｑ値を小さくしたことで、第３高調波の抑圧量が約１０ｄＢ改善されている。基本波の周波数帯である５７０ＭＨｚ帯における特性はさほど変わっていない。このことから、本発明の構成を採用することにより、基本波に影響を与えることなく第３高調波を抑圧できることがわかる。
また、約１．６ＧＨｚの帯域において、従来１０ｄＢであった抑圧量が本発明の構成を採用したことにより約５０ｄＢまで改善できている点も効果の一つであるといえる。

このように、本発明によれば、ローパスフィルタ等を付加することなく、ヘリカルフィルタ単体で第３高調波を抑圧できる。したがって、従来ローパスフィルタ等を付加していたことに伴う部品点数の増加、部品の実装に要する面積の増加といった問題を解消できる。

［その他の実施形態］
本発明のヘリカルフィルタは、上記実施形態に示したものに限定されない。
たとえば、上記実施形態ではボビン７の周囲に導体線９を巻き回してヘリカルコイル２を形成したが、図２に示すヘリカルフィルタ１１ように、セラミックス製のボビン１２の周面に、蒸着法、エッチング法等のパタン形成手法を用いてヘリカルコイル１３、１４を形成してもよい。

また、図３に示すように、導体線９のピッチを部分的に調整するためのピッチ調整機構１６を有するヘリカルフィルタ１５も有効である。ピッチ調整機構１６は、導体線９のヘリカル形状の部分の全長のうち開放端から１／３の長さの部分Ｐ１を一定のピッチに保持しているピッチ保持部１７と、ヘリカルコイル２、３を収容して金属ケース４内に設けられた円筒状のガイド部材１８と、ピッチ保持部１７をピッチ方向に移動させて残りの部分Ｐ２のピッチを調整するための図示しない操作部とを有している。なお、図示しない操作部は、金属ケース４の外側から操作できればよく、例えば、金属ケース４の上側からドライバー等を挿入し、操作部を回転させることで、ピッチ保持部１７をピッチ方向に移動させる構造などが考えられる。ピッチ保持部１７は、ガイド部材１８に支持された状態でこれに案内されてピッチ方向（図示の例では上下方向）に移動可能であり、無段階に位置調節可能に構成されている。この構成によれば、ヘリカルフィルタ１５の実装後においても、ピッチ保持部１７をピッチ方向に移動操作して、ピッチ保持部１７に保持されていない部分Ｐ２のピッチを変化させることにより、ヘリカルフィルタ１５の特性を所望の特性に調整することができる。

なお、以上の実施形態では、導体線９のヘリカル形状の部分の全長のうち開放端から１／３の長さの部分のピッチを残りの部分のピッチよりも小さく選定したが、開放端から１／３以上或いは以下の所定の長さの部分のピッチを残りの部分のピッチよりも小さく選定してもよい。
また、上記実施形態では、第３高調波を抑圧する構成について説明したが、ヘリカルコイルを構成する導体線のピッチが一定でないという本発明の構成を利用すれば、基本波に影響を与えることなく更に高次の高調波を抑制することも可能である。

１ ヘリカルフィルタ
２、３ ヘリカルコイル
４ 金属ケース
５ 入力端子
６ 出力端子
７ ボビン
８ コイル間結合調整孔
９ 導体線
１１ ボビン
１２ ヘリカルコイル
１３ ヘリカルフィルタ
１４ ピッチ調整機構

Claims (3)

1. 一端を開放端とし、他端を接地端としたヘリカルコイルを複数個、電磁気的に結合した共振器結合構造を有するヘリカルフィルタにおいて、
   高調波の周波数帯での抑圧量が増加するように、前記ヘリカルコイルを構成する導体線が一定のピッチで巻かれていないこと、
   前記導体線のヘリカル形状の部分の全長のうち前記開放端から略１／３の長さの部分のピッチが残りの部分のピッチよりも狭いこと、及び、
   前記導体線のピッチを部分的に調整するためのピッチ調整機構を有すること、を特徴とするヘリカルフィルタ。
2. 前記ピッチ調整機構は、前記導体線の一部分を一定のピッチに保持しているピッチ保持部と、当該ピッチ保持部をピッチ方向に移動させてその他の部分のピッチを調整するための操作部とを有する、請求項１のヘリカルフィルタ。
3. 前記ピッチ調整機構は、前記開放端から略１／３の長さの部分と残りの部分のどちらか一方の部分を一定のピッチに保持しているピッチ保持部と、当該ピッチ保持部をピッチ方向に移動させて他方の部分のピッチを調整するための操作部とを有する、請求項２のヘリカルフィルタ。

Images