JP5558334B2

JP5558334B2 - バンドパスフィルタならびにそれを用いた無線通信モジュールおよび無線通信装置

Info

Publication number: JP5558334B2
Application number: JP2010288999A
Authority: JP
Inventors: 壮太郎久木田; 克朗中俣
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2010-12-25
Filing date: 2010-12-25
Publication date: 2014-07-23
Anticipated expiration: 2030-12-25
Also published as: JP2012138720A

Description

本発明は、電気特性の優れたバンドパスフィルタならびにそれを用いた無線通信モジュールおよび無線通信装置に関するものである。

所定の周波数の電気信号を通過させるバンドパスフィルタとして、１／２波長共振器を用いて構成されたバンドパスフィルタが知られている（例えば、特許文献１を参照。）。

特開２００７−２０８３９５号公報

しかしながら、特許文献１にて提案されたような従来のバンドパスフィルタにおいては、通過帯域として設定された周波数帯域の信号の他に、その偶数次高調波、特に通過帯域の２倍の周波数の信号が、あまり減衰することなく通過してしまうという問題があった。

本発明はこのような従来の技術における問題点に鑑みて案出されたものであり、その目的は、通過帯域の２倍の周波数の信号の通過が抑制されたバンドパスフィルタならびにそれを用いた無線通信モジュールおよび無線通信装置を提供することにある。

本発明の第１のバンドパスフィルタは、所定の周波数の信号を通過させるバンドパスフィルタであって、入力端子および出力端子と、入力段の共振器および出力段の共振器を少なくとも有するとともに、相互に電磁気的に結合される複数の１／２波長共振器と、前記入力端子と前記入力段の共振器の一方端側とを接続する第１の信号伝達経路と、前記入力端子と前記入力段の共振器の他方端側とを接続する第２の信号伝達経路と、前記出力端子と前記出力段の共振器の一方端側とを接続する第３の信号伝達経路と、前記出力端子と前記出力段の共振器の他方端側とを接続する第４の信号伝達経路とを備え、前記第１の信号伝達経路を通過する信号と前記第２の信号伝達経路を通過する信号との位相差が、前記所定の周波数において９０°に設定されており、前記第３の信号伝達経路を通過する信号と前記第４の信号伝達経路を通過する信号との位相差が、前記所定の周波数において９０°に設定されていることを特徴とするものである。

本発明の第２のバンドパスフィルタは、前記第１のバンドパスフィルタにおいて、通過する信号の位相を前記所定の周波数において９０°シフトさせる移相器が、前記第１の信号伝達経路および前記第２の信号伝達経路の一方ならびに前記第３の信号伝達経路および前記第４の信号伝達経路の一方に設けられていることを特徴とするものである。

本発明の無線通信モジュールは、前記第１のバンドパスフィルタを含むＲＦ部と、該ＲＦ部に接続されたベースバンド部とを備えることを特徴とするものである。

本発明の無線通信装置は、前記無線通信モジュールと、前記ＲＦ部に接続されたアンテナとを備えることを特徴とするものである。

本発明のバンドパスフィルタによれば、通過帯域の２倍の周波数の信号の通過が抑制されたバンドパスフィルタを得ることができる。

本発明の実施の形態の第１の例のバンドパスフィルタを模式的に示す等価回路図である。本発明の実施の形態の第２の例のバンドパスフィルタを模式的に示す等価回路図である。本発明の実施の形態の第３の例の無線通信モジュールおよび無線通信装置を模式的に示すブロック図である。比較例のバンドパスフィルタを模式的に示す等価回路図である。本発明の実施の形態の第１の例のバンドパスフィルタの電気特性のシミュレーション結果を示すグラフである。本発明の実施の形態の第２の例のバンドパスフィルタの電気特性のシミュレーション結果を示すグラフである。比較例のバンドパスフィルタの電気特性のシミュレーション結果を示すグラフである。

以下、本発明のバンドパスフィルタを添付の図面を参照しつつ詳細に説明する。

（実施の形態の第１の例）
図１は、本発明の実施の形態の第１の例のバンドパスフィルタを模式的に示す等価回路図である。

本例のバンドパスフィルタは、図１に示すように、入力端子１１と、出力端子１２と、１／２波長共振器２１，２２と、移相器３１，３２と、キャパシタ４１〜４６とを備えている。

複数の１／２波長共振器２１，２２は、それぞれ、両端がともに接地されない開放端とされており、所定の周波数ｆ１において１／２波長共振器として機能する。また、１／２波長共振器２１は、入力端子１１に接続される入力段の共振器であり、１／２波長共振器２２は、出力端子１２に接続される出力段の共振器である。

また、入力段の共振器２１の一方端２１ａと出力段の共振器２２の一方端２２ａとがキャパシタ４５を介して接続されており、入力段の共振器２１の他方端２１ｂと出力段の共振器２２の他方端２２ｂとがキャパシタ４６を介して接続されている。すなわち、１／２波長共振器２１，２２は、キャパシタ４５，４６によって相互に電磁気的に結合される。なお、本明細書において、「電磁気的に結合される」とは、電気的もしくは磁気的に結合されること、または電気および磁気の両方によって結合されることを意味する。

入力段の共振器２１の一方端２１ａは、キャパシタ４１を介して入力端子１１に接続されており、入力端子１１からの入力信号がキャパシタ４１を介して入力段の共振器２１の一方端２１ａに入力される。すなわち、キャパシタ４１によって、入力端子１１と入力段の共振器２１の一方端側２１ａとを接続する第１の信号伝達経路が構成されている。

入力段の共振器２１の他方端２１ｂは、移相器３１およびキャパシタ４２を介して入力端子１１に接続されており、入力端子１１からの入力信号が移相器３１およびキャパシタ４２を介して入力段の共振器２１の他方端２１ｂに入力される。すなわち、移相器３１お
よびキャパシタ４２によって、入力端子１１と入力段の共振器２１の他方端側２１ｂとを接続する第２の信号伝達経路が構成されている。

出力段の共振器２２の一方端２２ａは、キャパシタ４３を介して出力端子１２に接続されており、出力段の共振器２２の一方端２２ａからの出力信号がキャパシタ４３を介して出力端子１２に出力される。すなわち、キャパシタ４３によって、出力端子１２と出力段の共振器２２の一方端側２２ａとを接続する第３の信号伝達経路が構成されている。

出力段の共振器２２の他方端２２ｂは、移相器３２およびキャパシタ４４を介して出力端子１２に接続されており、出力段の共振器２２の他方端２２ｂからの出力信号が移相器３２およびキャパシタ４４を介して出力端子１２に出力される。すなわち、移相器３２およびキャパシタ４４によって、出力端子１２と出力段の共振器２２の他方端側２２ｂとを接続する第４の信号伝達経路が構成されている。

また、移相器３１，３２のそれぞれは、１／２波長共振器２１，２２が１／２波長共振器として機能する所定の周波数ｆ１において、通過する電気信号の移相量が９０°に設定されている。すなわち、移相器３１，３２のそれぞれは、所定の周波数ｆ１において、通過する信号の位相を９０°シフトさせる。よって、第１の信号伝達経路を通過する信号と第２の信号伝達経路を通過する信号との位相差は、所定の周波数ｆ１において９０°になり、第３の信号伝達経路を通過する信号と第４の信号伝達経路を通過する信号との位相差は、所定の周波数ｆ１において９０°になるようにされている。

このような構成を備える本例のバンドパスフィルタは、１／２波長共振器２１，２２が１／２波長共振器として機能する所定の周波数ｆ１の信号を選択的に通過させるバンドパスフィルタとして機能する。

また、本例のバンドパスフィルタによれば、第１の信号伝達経路を通過する信号と第２の信号伝達経路を通過する信号との位相差が、所定の周波数ｆ１において９０°になるように設定されている。そして、第３の信号伝達経路を通過する信号と第４の信号伝達経路を通過する信号との位相差が、所定の周波数ｆ１において９０°になるように設定されている。これにより、所定の周波数ｆ１を含む通過帯域の信号は良好に通過させるとともに、所定の周波数ｆ１の２倍の周波数ｆ２の信号の通過が抑制されたバンドパスフィルタを得ることができる。

この効果が得られるメカニズムは次のように推測される。すなわち、１／２波長共振器２１，２２として機能する所定の周波数ｆ１の２倍の周波数ｆ２においては、１／２波長共振器２１，２２の両端の位相は各々等しくなる。つまり、１／２波長共振器２１の一方端２１ａにおける位相と他方端２１ｂにおける位相とは互いに等しく、１／２波長共振器２２の一方端２２ａにおける位相と他方端２２ｂにおける位相とは互いに等しい。ところが、周波数ｆ２においては、移相器３１，３２を通過する信号の移相量が各々１８０°であるため、第１の信号伝達経路を通過する信号と第２の信号伝達経路を通過する信号との位相差は１８０°になり、第３の信号伝達経路を通過する信号と第４の信号伝達経路を通過する信号との位相差も１８０°になる。これにより、入力端子１１から入力された信号は、互いに１８０°異なる位相で１／２波長共振器２１の両端２１ａ，２１ｂに供給される。また、１／２波長共振器２２の両端２２ａ，２２ｂの両端から出力された信号は、互いに１８０°異なる位相で出力端子１２に到達して互いに打ち消し合う。このようなメカニズムによって、周波数ｆ２の信号の通過が抑制されたバンドパスフィルタを得ることができる。

また、本例のバンドパスフィルタによれば、通過する信号の位相を所定の周波数ｆ１に
おいて９０°シフトさせる移相器３１，３２が、第１の信号伝達経路および第２の信号伝達経路の一方ならびに第３の信号伝達経路および第４の信号伝達経路の一方に設けられていることから、構成が単純なバンドパスフィルタを得ることができる。

さらに、本例のバンドパスフィルタによれば、１／２波長共振器２１，２２の両端にそれぞれ接続されたキャパシタ４５，４６によって、１／２波長共振器２１，２２が電磁気的に結合されており、対称性の高い回路構成となっている。このため、キャパシタ４１〜４４のキャパシタンスを全て等しくできるとともに、キャパシタ４５，４６のキャパシタンスを等しくできるので、設計が容易なバンドパスフィルタを得ることができる。

本例のバンドパスフィルタにおいて、１／２波長共振器２１，２２としては、例えば、同軸共振器，ストリップライン共振器，マイクロストリップライン共振器等の、既知の共振器を使用することができる。また、移相器３１，３２としては、例えば、同軸線路，マイクロストリップ線路，ストリップ線路等の、既知の高周波線路を使用した１／４波長線路のような、既知の９０°移相器を使用することができる。

（実施の形態の第２の例）
図２は、本発明の実施の形態の第２の例のバンドパスフィルタバンドパスフィルタを模式的に示す等価回路図である。なお、本例においては、前述した実施の形態の第１の例と異なる部分について説明し、同一の構成要素には同一の符号を付して重複する説明を省略する。

本例のバンドパスフィルタは、図２に示すように、１／２波長共振器２１の一方端２１ａと、１／２波長共振器２２の一方端２２ａとを接続するキャパシタ４５のみによって、１／２波長共振器２１，２２が電磁気的に接続されている。

このような構成を備える本例のバンドパスフィルタによれば、前述した実施の形態の第１の例のバンドパスフィルタと比較して、構造が単純なバンドパスフィルタを得ることができる。

本例のバンドパスフィルタにおいては、キャパシタ４２のキャパシタンスをキャパシタ４１のキャパシタンスよりも小さくするとともに、キャパシタ４４のキャパシタンスをキャパシタ４３のキャパシタンスよりも小さくするのが望ましい。これによって、バンドパスフィルタの通過帯域内の周波数における反射特性（リターンロス）を改善することができる。

（実施の形態の第３の例）
図３は本発明の実施の形態の第３の例の無線通信モジュール８０および無線通信装置８５を模式的に示すブロック図である。

本例の無線通信モジュール８０は、ベースバンド信号が処理されるベースバンド部８１と、ベースバンド部８１に接続された、ベースバンド信号の変調後および復調前のＲＦ信号が処理されるＲＦ部８２とを備えている。ＲＦ部８２には上述した本発明のバンドパスフィルタ８２１が含まれており、ベースバンド信号が変調されてなるＲＦ信号または受信したＲＦ信号における通信帯域以外の信号をバンドパスフィルタ８２１によって減衰させている。

具体的な構成としては、ベースバンド部８１は、ベースバンドＩＣ８１１を有している。また、ＲＦ部８２は、バンドパスフィルタ８２１とベースバンド部８１との間に接続されるＲＦＩＣ８２２を有している。なお、これらの回路間には別の回路が介在して
いてもよい。そして、無線通信モジュール８０のバンドパスフィルタ８２１にアンテナ８４を接続することによってＲＦ信号の送受信がなされる本例の無線通信装置８５が構成される。

このような構成を有する本例の無線通信モジュール８０および無線通信装置８５によれば、周波数選択性の優れたバンドパスフィルタ８２１を用いて通信信号の濾波を行うことから、ノイズを低減することができるため、通信品質が高い高性能な無線通信モジュール８０および無線通信装置８５を得ることができる。

（変形例）
本発明は上述した実施の形態の例に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々の変更，改良が可能である。

上述した実施の形態の第１，第２の例においては、２つの１／２波長共振器２１，２２を用いてバンドパスフィルタを構成した例を示したが、これに限定されるものではない。２つ以上の任意の個数の１／２波長共振器を用いてバンドパスフィルタを構成することができる。但し、共振器数の増加は大型化を招くので、通常は１０個程度以下にするのがよい。

また、上述した実施の形態の第１，第２の例においては、第２の信号伝達経路に９０°移相器３１を設けることによって、第１の信号伝達経路を通過する信号と第２の信号伝達経路を通過する信号との位相差を９０°にした例を示したが、これに限定されるものではない。第１の信号伝達経路を通過する信号と第２の信号伝達経路を通過する信号との位相差が９０°であればよく、例えば、第１の信号伝達経路に１００°移相器を設けるとともに、第２の信号伝達経路に１０°移相器を設けるようにしても構わない。第３の信号伝達経路および第４の信号伝達経路についても同様である。

さらに、上述した実施の形態の第１，第２の例においては、１／２波長共振器２１，２２がキャパシタで接続されて互いに電磁気的に結合される例を示したが、これに限定されるものではない。例えば、インダクタで接続されて電磁気的に結合されてもよく、電界および磁界の両方によって電磁気的に結合されるようにしても構わない。

またさらに、上述した実施の形態の第１，第２の例においては、入力端子１１と入力段の共振器２１とがキャパシタを介して接続され、出力端子１２と出力段の共振器２２とがキャパシタを介して接続された例を示したが、これに限定されるものではない。例えば、インダクタを介して接続されてもよく、電界および磁界の両方によって接続されるようにしても構わない。

次に、本発明のバンドパスフィルタの具体例について説明する。

図１および図２に示した本発明の実施の形態の第１および第２の例のバンドパスフィルタの電気特性と、本発明の実施の形態の第２の例のバンドパスフィルタから移相器３１，３２およびキャパシタ４２，４４を取り除いた構成を備える、図４に示した比較例のバンドパスフィルタの電気特性とをシミュレーションによって算出した。

このシミュレーションにおいて、１／２波長共振器２１，２２は、内導体の半径（外径）が１．５ｍｍで、外導体の半径（外径）が９ｍｍで、その間の誘電体の比誘電率が１１．７である同軸共振器を使用した。また、移相器３１，３２は、特性インピーダンスが５０Ωで１．８５ＧＨｚにおいて１／４波長の長さになる理想線路を使用した。

本発明の実施の形態の第１の例のバンドパスフィルタにおいては、１／２波長共振器２１，２２の長さを２１．８３ｍｍとし、キャパシタ４１〜４４のキャパシタンスを０．２６４ｐＦとし、キャパシタ４５，４６のキャパシタンスを０．０２８ｐＦとした。

本発明の実施の形態の第２の例のバンドパスフィルタにおいては、１／２波長共振器２１，２２の長さを２１．８７ｍｍとし、キャパシタ４１，４３のキャパシタンスを０．２６１ｐＦとし、キャパシタ４２，４４のキャパシタンスを０．２５６ｐＦとし、キャパシタ４５のキャパシタンスを０．０５６ｐＦとした。

比較例のバンドパスフィルタにおいては、１／２波長共振器２１，２２の長さを２２．７６ｍｍとし、キャパシタ４１，４３のキャパシタンスを０．２９８ｐＦとし、キャパシタ４５のキャパシタンスを０．０５３ｐＦとした。

本発明の実施の形態の第１の例のバンドパスフィルタの電気特性のシミュレーション結果を図５のグラフに示し、本発明の実施の形態の第２の例のバンドパスフィルタの電気特性のシミュレーション結果を図６のグラフに示し、比較例のバンドパスフィルタの電気特性のシミュレーション結果を図７のグラフに示す。これらのグラフにおいて、横軸は周波数であり、縦軸は減衰量であり、フィルタの通過特性（Ｓ２１）の周波数による変化を示している。

図７に示すグラフによれば、比較例のバンドパスフィルタでは、通過帯域である１．８５ＧＨｚ付近に加えて、その２倍の周波数である３．７ＧＨｚ付近においても電気信号が殆ど減衰することなく通過してしまい、通過帯域より高周波側における減衰量が不足していることがわかる。

これに対して、図５および図６に示すグラフによれば、本発明の実施の形態の第１および第２の例のバンドパスフィルタでは、通過帯域の２倍の周波数である３．７ＧＨｚ付近の減衰量が−４０ｄＢ以上確保されており、通過帯域より高周波側の広い周波数範囲に渡って減衰量が充分に確保されていることがわかる。これにより本発明の有効性が確認できた。

１１：入力端子
１２：出力端子
２１：入力段の共振器
２２：出力段の共振器
３１，３２：移相器
８０：無線通信モジュール
８１：ベースバンド部
８２：ＲＦ部
８２１：バンドパスフィルタ
８４：アンテナ
８５：無線通信装置

Claims

所定の周波数の信号を通過させるバンドパスフィルタであって、
入力端子および出力端子と、
入力段の共振器および出力段の共振器を少なくとも有するとともに、相互に電磁気的に結合される複数の１／２波長共振器と、
前記入力端子と前記入力段の共振器の一方端側とを接続する第１の信号伝達経路と、
前記入力端子と前記入力段の共振器の他方端側とを接続する第２の信号伝達経路と、
前記出力端子と前記出力段の共振器の一方端側とを接続する第３の信号伝達経路と、
前記出力端子と前記出力段の共振器の他方端側とを接続する第４の信号伝達経路とを備え、
前記第１の信号伝達経路を通過する信号と前記第２の信号伝達経路を通過する信号との位相差が、前記所定の周波数において９０°に設定されており、
前記第３の信号伝達経路を通過する信号と前記第４の信号伝達経路を通過する信号との位相差が、前記所定の周波数において９０°に設定されていることを特徴とするバンドパスフィルタ。
通過する信号の位相を前記所定の周波数において９０°シフトさせる移相器が、前記第１の信号伝達経路および前記第２の信号伝達経路の一方ならびに前記第３の信号伝達経路および前記第４の信号伝達経路の一方に設けら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。
請求項１に記載のバンドパスフィルタを含むＲＦ部と、該ＲＦ部に接続されたベースバンド部とを備えることを特徴とする無線通信モジュール。
請求項３に記載の無線通信モジュールと、前記ＲＦ部に接続されたアンテナとを備えることを特徴とする無線通信装置。