JP5664956B2 - 高周波フィルタ - Google Patents

Description

本発明は、高周波フィルタに関するものである。

携帯電話、無線ラン（LAN）のような情報通信装置の発展が近年においては目覚しい。このような、情報通信装置において、大量のデータを送受信するためには、GHz（ギガ・ヘルツ）の帯域で用いられる高周波フィルタが必要とされる。このような高周波フィルタとして、従来から種々のものが知られている。その代表例として、弾性表面波フィルタ（SAWフィルタ）、マイクロストリップラインを用いたフィルタ、誘電体フィルタが挙げられる。弾性表面波フィルタは、圧電体の薄膜もしくは基板上に形成された規則性のすだれ状電極(IDT)を用いて特定の周波数帯域の電気信号を取り出すものである（特許文献１、非特許文献１、図２０を参照）。マイクロストリップラインは、分布定数回路の一種であり、裏面に導体箔を形成した板状誘電体基板の表面に線状の導体箔を形成して電磁波を伝播することによってフィルタとして機能させるものである（特許文献２、非許文献２を参照）。例えば、長さの異なる２つのマイクロストリップラインを並列に接続してマルチパスを構成したフィルタが知られている（非許文献３を参照）。誘電体フィルタは、分布定数の共振回路を用いた共振回路であり、高誘電率の誘電体を使うことによって共振器のサイズを小型化するものである。

特開２０１０−６８１０９号公報 特開２００５−２６７９９号公報

富士通研究所ホームページ ２０１０年７月１５日ダウンロードhttp://jp.fujitsu.com/group/labs/techinfo/techguide/list/saw_p04.html 市川裕一 「プロフェッショナル講座」 トランジスタ技術２００４年７月号p.113〜p.117 ＣＱ出版社 小西良弘 「フィルタ回路の設計とその応用」 総合電子出版社p.32

情報通信装置の小型化を図るためには、高周波フィルタを低損失化すると共に高周波フィルタ自体の小型化が必要となる。さらに、多品種の情報装置に適用するためにフィルタ特性を容易に変化させることも必要となってきている。しかしながら、上述した代表的な３種類の高周波フィルタは、低損失化及び小型化と、フィルタ特性の変化の容易化という面では、いずれも課題がある。

弾性表面波フィルタでは、微細電極のパターンの加工精度に応じてフィルタの上限の周波数が決定されるので、周波数帯域を上げるためには、電極の微細化が必要となり、その結果として電気抵抗の増加による損失が増大してしまい低損失化は容易ではなかった。マイクロストリップラインを用いたフィルタでは、適用周波数が直接にサイズに関係し、急峻な減衰特性を得る場合には高周波フィルタが大型化した。誘電体フィルタは、同様に急峻な減衰特性を得る面に課題を有している。また、上述した、３つの種類のフィルタは、いずれも、素子の物理的形状がフィルタの帯域を決定するので、高周波フィルタの帯域等の周波数特性の変更は容易ではなかった。

本発明は、小型化に適し、フィルタ特性の変更が容易な、高周波フィルタを提供するものである。

本発明の高周波フィルタは、第１マイクロストリップラインと第２マイクロストリップラインとを備え、前記第１マイクロストリップラインの入力端子と前記第２マイクロストリップラインの入力端子とを接続し、前記第１マイクロストリップラインの出力端子と前記第２マイクロストリップラインの出力端子とを接続し、所定波長をλoとして、前記第１マイクロストリップラインの入力端子からの距離と、前記第２マイクロストリップラインの入力端子からの距離との差が、0.5λoの奇数倍となる、前記第１マイクロストリップライン上の第１点と前記第２マイクロストリップライン上の第２点との間をイミタンス素子で接続して、形成され、前記第１点の位相と前記第２点の位相とが２πラジアンの整数倍だけ異なるとき、前記イミタンス素子に電流が流れず、前記第１マイクロストリップラインと前記第２マイクロストリップラインを伝送される信号が減衰無く加算されて前記出力端子から出力され、前記第１点の位相と前記第２点の位相とが２πラジアンの整数倍だけ異なるとき以外は、前記イミタンス素子を介して前記第１マイクロストリップラインと前記第２マイクロストリップラインを伝送される信号が干渉して減衰されて前記出力端子から出力される。

本発明の高周波フィルタでは、第１マイクロストリップラインと第２マイクロストリップラインとを備え、第１マイクロストリップラインと第２マイクロストリップラインとを並列に接続し、第１マイクロストリップラインの入力端子からの距離と、第２マイクロストリップラインの入力端子からの距離との差が、0.5λoの奇数倍となる、第１マイクロストリップライン上の点と第２マイクロストリップライン上の点との間をイミタンス素子で接続して、所望の周波数特性を得ることができる。

本発明によれば、小型化でフィルタ特性の変更が容易な高周波低損失フィルタを提供できる。

マイクロストリップラインとして機能する２つの線路の並列接続回路を示す図である。 ２つの線路間にイミタンス素子を挿入した場合の集中定数回路で表す等価回路を示す図である。 イミタンス素子の両端の電圧とイミタンス素子に流れ込む電流およびイミタンス素子から流れ出す電流の関係を示す図である。 図３に示した回路の入力側を相互に接続し、出力側を相互に接続した回路図である。 第１実施形態の高周波フィルタの構成の概略を示す図である。 計算機シミュレーションの結果を示す図である。 マイクロストリップラインの断面図を模式的に示す図である。 実際の回路においてコンデンサの静電容量が0の場合の実測結果を示す図である。 実際の高周波フィルタの周波数特性の実測結果を示す図である。 伝搬損が無いとした場合の校正した高周波フィルタの特性を示す図である。 第２実施形態の高周波フィルタを示す図である。 図１１に示す実施形態の高周波フィルタの特性を計算機シミュレーションで求めた結果を示す図である。 別の計算機シミュレーションの結果を示す図である。 さらに別のシミュレーションの結果を示す図である。 計算機シミュレーションで得た、イミタンス素子であるコンデンサの静電容量と高周波フィルタの周波数帯域との関係を示す図である。 第２実施形態の変形の高周波フィルタを示す図である。 第３実施形態の高周波フィルタの構成の概念を示す図である。 SAWデバイスのサセプタンスとコンダクタンスとの周波数に対する特性を表す図である。 SAWデバイスの特性と高周波フィルタの周波数特性との関係を示す図である。 弾性表面波フィルタを示す図である。

本発明の高周波フィルタを実施するための形態では、高周波フィルタは、分布定数回路であるマイクロストリップラインと集中定数回路とを組み合わせて構成される。このような構成を採用することによって、高周波フィルタの低損失化と小型化を図り、イミタンス素子である集中定数回路の特性を変化させることによって高周波フィルタの特性を容易に可変できるようにするものである。

発明を実施するための形態（実施形態）について、以下に図面を参照して説明をする。

［実施形態の高周波フィルタの原理］
実施形態の高周波フィルタは、分布定数回路であるマイクロストリップラインと集中定数回路（イミタンス素子）を組み合わせて、低損失化と小型化を図り、イミタンス素子である集中定数回路の特性を変化させることによって高周波フィルタの特性を容易に変化可能とするものである。ここで、集中定数回路はどのようなイミタンス素子であっても良い。例えば、コンデンサであっても良く、ソウデバイス（SAWデバイス、例えば、SAW共振器）であっても良い。

ここで、イミタンスの用語は、インピーダンスとアドミタンスとの両方を含む総称であり、イミタンス素子の用語はインピーダンスでその特性が表される素子とアドミタンスでその特性が表される素子との両方を含む総称である。

以下では、特定のインピーダンス素子にはインピーダンス素子Zの用語を用いる。インピーダンス素子Zのインピーダンスの値は、インピーダンスZ=R+jXとし、実部である抵抗Rと虚部であるリアクタンスXとで表せる。ここで、jは虚数単位である。また、特定のアドミタンス素子にはアドミタンス素子Yの用語を用いる。アドミタンス素子Yのアドミタンスの値は、アドミタンスY=G+jBとし、実部であるコンダクタンスGと虚部であるサセプタンスBとで表せる。

インピーダンスとアドミタンスとは相互に、その虚部および実部の各々が１対１に変換可能である。Y=1/Z、Z=1/Yの関係から、R=G/(G²+B²)、X=-B/(G²+B²)、G=R/(R²+X²)、B=-X/(R²+X²)の関係式が成立する。よって、イミタンス、インピーダンス、アドミタンスの三者は、物理概念が異なるものではなく単位系が異なるだけである。

実施形態の高周波フィルタの一部として機能するマイクロストリップラインは、一般的に基板上に形成される線路として構成される。本実施形態では、２つの線路の各入力端を相互に接続して入力端子とし、各出力端を相互に接続して出力端子とする。そして、２つの線路間にイミタンス素子を挿入して高周波フィルタを構成することを特徴とする。このような高周波フィルタにおいて、出力端子と入力端子との間の伝達特性をどのようにして求めるかに付き説明をする。その後に、具体的な実施形態について説明をする。

図１は、マイクロストリップラインとして機能する２つの線路の並列接続回路を示す図である。２つの線路である、線路L1と線路L2とは、回路的には分布定数回路であり、線路間に集中定数回路であるイミタンス素子（図１ではコンデンサC）が挿入され、全体としてマイクロストリップラインとイミタンス素子の結合回路として機能する。第１の線路L1の入力端子L1iと第２の線路L2の入力端子L2iとは相互に接続され、この接続点が入力端子Liである。また、第１の線路L1の出力端子L1oと第２の線路L2の出力端子L2oとは相互に接続され、この接続点が出力端子Loである。

線路L1は２つの部分からなり、その一方の長さはλとされ、その他方の長さは0.5λとされ、２つの部分の中間点は点P1とされ、全体の長さは1.5λとされている。線路L2は２つの部分からなり、その一方の長さは0.5λとされ、その他方の長さはλとされ、２つの部分の中間点は点P2とされ、全体の長さは1.5λとされている。そして、点P1と点P2との間にコンデンサCが接続されている。ここで、λは任意波長である。

このような線路（マイクロストリップライン）を分布定数回路として解析をする場合には計算量も多くなり煩雑であるので、解析を容易とするために、分布定数回路として形成される部分を集中定数回路で表す等価回路に置き換える。

図２は、２つの線路間にイミタンス素子であるアドミタンス素子Yを挿入した場合の集中定数回路で表す等価回路を示す図である。点P1と入力端子Liとの間の伝達特性を縦続行列T1で表す。出力端子Loと点P1との間の伝達特性を縦続行列T2で表す。

また、点P2と入力端子Liとの間の伝達特性を縦続行列T3で表す。出力端子Loと点P2との間の伝達特性を縦続行列T4で表す。アドミタンス素子Yの機能は、線路L1と線路L2とを連結するものである。

ここで、縦続行列T1は、インピーダンス素子Z11、インピーダンス素子Z12、インピーダンス素子Z13、によって形成される集中定数回路で表す等価回路であるＴ型回路の縦続行列である。インピーダンス素子Z11の一端が入力端子Liに接続され、インピーダンス素子Z12の一端が点P1に接続され、インピーダンス素子Z13の一端が接地点GNDに接続され、インピーダンス素子Z11の他端とインピーダンス素子Z12の他端とインピーダンス素子Z13の他端とが相互に接続されている。

また、縦続行列T2は、インピーダンス素子Z21、インピーダンス素子Z22、インピーダンス素子Z23、によって形成される集中定数回路で表す等価回路であるＴ型回路の縦続行列である。インピーダンス素子Z21の一端が点P1に接続され、インピーダンス素子Z22の一端が出力端子Loに接続され、インピーダンス素子Z23の一端が接地点GNDに接続され、インピーダンス素子Z21の他端とインピーダンス素子Z22の他端とインピーダンス素子Z23の他端とが相互に接続されている。

また、縦続行列T3は、インピーダンス素子Z31、インピーダンス素子Z32、インピーダンス素子Z33、によって形成される集中定数回路で表す等価回路であるＴ型回路の縦続行列である。インピーダンス素子Z31の一端が入力端子Liに接続され、インピーダンス素子Z32の一端が点P2に接続され、インピーダンス素子Z33の一端が接地点GNDに接続され、インピーダンス素子Z31の他端とインピーダンス素子Z32の他端とインピーダンス素子Z33の他端とが相互に接続されている。

また、縦続行列T4は、インピーダンス素子Z41、インピーダンス素子Z42、インピーダンス素子Z43、によって形成される集中定数回路で表す等価回路であるＴ型回路の縦続行列である。インピーダンス素子Z41の一端が点P2に接続され、インピーダンス素子Z42の一端が出力端子Loに接続され、インピーダンス素子Z43の一端が接地点GNDに接続され、インピーダンス素子Z41の他端とインピーダンス素子Z42の他端とインピーダンス素子Z43の他端とが相互に接続されている。

伝搬減衰を考慮しない場合、インピーダンス素子Z11のインピーダンスは数式１で表され、インピーダンス素子Z12のインピーダンスは数式２で表され、インピーダンス素子Z13のインピーダンスは数式３で表される。ここで、ｊは虚数単位であり、Zoは特性インピーダンスである。すなわち、インピーダンス素子Z11とインピーダンス素子Z12とは、分布定数回路の分布インダクタンス成分を集中定数に置き換えた誘導性リアクタンスであり、インピーダンス素子Z13は分布定数回路の分布キャパシタンス成分を集中定数に置き換えた容量性リアクタンスである。

そして、入力端子Liと点P1との間の線路長L1a、特性インピーダンスZoの伝送路を波長λの波が伝送するときの伝達特性は、２行２列の縦続行列として数式４で表される。ただし、φは数式５で表される。

図３は、アドミタンス素子Yの両端の電圧とアドミタンス素子Yに流れ込む電流およびアドミタンス素子Yから流れ出す電流の関係を示す図である。以下、図３を参照してアドミタンス素子Yの縦続行列を求める。

第１の線路L1について、入力端子L1iの側から点P1に流れ込む電流を電流I1、入力端子L1iと接地点GNDとの間の電圧を電圧V1、第１の線路L1の点P1から出力端子L1oの側に流れ出す電流を電流I2、出力端子L1oと接地点GNDとの間の電圧を電圧V2とする。

また、第２の線路L2について、入力端子L2iの側から第２の線路L2の点P2に流れ込む電流を電流I1’、点P2と接地点GNDとの間の電圧を電圧V1’、第２の線路L2の点P2から出力端子L2oの側に流れ出す電流を電流I2’、 出力端子L2oと接地点GNDとの間の電圧を電圧V2’として、以下の数式６、数式７、数式８から数式９で表されるアドミタンス素子Yの縦続行列Tyを求める。図３に示す回路の縦続行列Tyは数式９で表される。数式１０におけるYは、アドミタンス素子Yのアドミタンス値である。

図４は、図３に示した回路の入力側を入力端子L1iの側から点P1までのマイクロストリップラインに接続し、図３に示した回路の出力側を図３に示した回路を点P2から出力端子L1oまでのマイクロストリップラインに接続した回路図である。図４を参照して、さらに、以下に説明をする。

イミタンス素子は、マイクロストリップラインとして機能する線路L1の点P1とマイクロストリップラインとして機能する線路L2の点P2の間に挿入されている。入力端子L1iの電圧を電圧V1’、入力端子L1iから線路L1に流れ込む電流を電流I1’、入力端子L2iの電圧を電圧V1”、入力端子L2iから線路L2に流れ込む電流を電流I1”、出力端子L1oの電圧を電圧V2’、出力端子L2oの電圧を電圧V2”、線路L1から出力端子L1oに流れ出す電流を電流I2’、線路L2から出力端子L2oに流れ出す電流を電流I2”とすれば、図４に示す回路の縦続行列Taは数式１１で表される。

ここで、Ｔａは数式１２で表される。

また、数式１１と数式１２を、以下の数式１３、数式１４、数式１５、数式１６を用いて、数式１７に示すようにして、図４に示す、電圧V1、電圧V2、電流I1、電流I2のみを変数とする数式に変形する。

ここで、数式１７に示される、a、 b、 c、 d、 e、 f、 g は、数式１８、数式１９、数式２０、数式２１、数式２２、数式２３、数式２４で表される。

数式１７に示す縦続行列で与えられる複素数の伝達特性から、入力電圧と出力電圧の比の絶対値を求めて、フィルタの挿入損失Vlosは数式２５で表される。ここで、Rsは本フィルタの入力端子に接続される機器の出力インピーダンスであり、Roは本フィルタの出力端子に接続される機器の入力インピーダンスであり、入力端子および出力端子の各々がRsおよびRoの終端抵抗によって終端される。

「第１実施形態の高周波フィルタ」
図５は、第１実施形態の高周波フィルタの構成の概略を示す図である。

図５に示す高周波フィルタF1は、マイクロストリップラインとして機能する、２つの線路である線路L1（点P1を接続点とする第１区間L1aと第２区間L1bとから形成される）と線路L2（点P2を接続点とする第１区間L2aと第２区間L2bとから形成される）との線路間にイミタンス素子としてのコンデンサC（キャパスタンス値はC、以下、単にコンデンサCの値と記す）が１個だけ挿入されて構成される。後述するように、コンデンサCの値と、２つの線路L1と線路L2との各長さ、コンデンサCの接続位置に応じて、高周波フィルタF1の特性が大きく異なる。

（シミュレーションについて）
数式２５に基づいて計算されたフィルタ特性について以下に説明をする。

まず、計算の基礎となる各パラメータについて説明をする。予め定める所定波長をλoとすると、線路L1（第１線路）の長さはL1 =1.5λoの長さである。線路L1は、上述したように、連続した２つの部分である第１区間L1aと第２区間L1bとから形成されている。線路L1の入力端子L1iからの長さがλoの位置までが第１区間L1aであり、線路L1の出力端子L1oからの長さが0.5λoの位置までが第２区間L1bである。第１区間L1aと第２区間L1bの境界が点P1である。

線路L2（第２線路）の長さはL2 =1.5λoの長さである。線路L2は、上述したように、連続した２つの部分である第１区間L2aと第２区間L2bとから形成されている。線路L2の入力端子L2iからの長さが0,5λoの位置までが第１区間L2aであり、線路L2の出力端子L2oからの長さがλoの位置までが第２区間L2bである。第１区間L2aと第２区間L2bの境界が点P2である。

点P1と点P2との間にコンデンサCが配されている。コンデンサCの値が100pFである場合について以下に説明をする。

図６は、計算機シミュレーションの結果を示す図である。計算機シミュレーションはフォートラン（Fortran）90を用いて行った。数式２５に基づく数値解析によって、高周波フィルタF1の周波数特性を求めた。図６の縦軸は挿入損失であり、横軸は周波数である。図６から、見て取れるように、高周波フィルタF1は周波数3.38GHz付近を中心周波数とするバンドパスフィルタとして機能する。

（実測特性について）
実際に高周波フィルタを試作して実験によって得られた実測特性について以下に説明をする。

図５に示す高周波フィルタF1と同一パラメータを有する回路を実際にガラエポキシ基板上に作製した。図５に示す図は、マイクロストリップラインが形成されている基板の表面から見た図に対応する。基板の寸法は、横幅14cm、縦の長さ10cmとした。図５に示す、線路L1の第１区間L1a、線路L1の第２区間L1b、線路L2の第１区間L2a、線路L2の第２区間L2bは、各々を銅箔で形成した。基板はガラスエポキシ基板を用い、ガラスエポキシ基板の裏面は全面を銅箔で覆った。実際の回路でも、図５に示すと同様に、線路L1の第１区間L1aの形状を曲線とし、線路L2の第２区間L2bの形状を曲線としている。このような形状とした理由は、線路L1と線路L2の２つのマイクロストリップライン間の電磁界的な結合を最小限に抑え、線路が急激に曲がることによって起こる反射の影響を抑えるためである。

図７は、マイクロストリップラインの断面図を模式的に示す図である。図５、図７を参照して、具体的な寸法を以下に示す。線路L1、線路L2の線幅W（図５に示す線路L1の第１区間L1a、第２区間L1b、線路L2の第１区間L2a、第２区間L2bの線幅）は0.67mm（ミリ・メータ）であり、導体の厚みT（図７を参照）は70μm（マイクロ・メータ）であり、誘電体（ガラスエポキシ基板）の厚みH（図７を参照）は1.6mmである。ガラスエポキシの比誘電率εrは4.6である。線路L1、線路L2の各々の特性インピーダンスZoは100Ωである。波長λoは10cm（センチ・メータ）であり、得られた遮断周波数foは1.69GHzである。また、得られた中心周波数fcは3.38GHzである。

ここで、特性インピーダンスZoは数式２６に示す計算式によって求められ、実効誘電率εeffは数式２７に示す計算式によって求められる。

線路L1と線路L2とを並列接続することによって、特性インピーダンスZoとしては50Ωが得られる。また、ガラスエポキシを挟んだ線路L1、線路L2の裏面側の導電材（例えば、銅箔）が接地側（GND側）となる。すなわち、線路L1と線路L2の入力側の接続点の近傍の裏面が入力端子の接地点となり、線路L1と線路L2の出力側の接続点の近傍の裏面が出力端子の接地点となる。

図８は、実際の回路において静電容量が0の場合の実測結果を示す。図８は、コンデンサCの値を0とするときの特性である。縦軸は挿入損失であり、横軸は周波数である。図８から、見て取れるように、この回路では、周波数が高くなると挿入損失は大きくなる。

理論的にはコンデンサCの値を0とすると、線路L1と線路L2は長さが等しいので、周波数特性はフラットなものとなると考えられる。しかし、実際の回路ではマイクロストリップラインとして機能する線路L1と線路L2とが基板上に形成されていることによって誘電体損及び放射損を有するものであり、図８は、この誘電体損の影響を主として示している。

この誘電体損は、今回の実験では誘電体としてガラスエポキシを用いているために発生するものである。より誘電体損が小さい材料、例えば、アルミナのような損失の少ない誘電体を用いたマイクロ波用の基板を使用することによって，誘電体損をより低減させることができる。そして、図８に示すような周波数が高くなるにつれて増加する挿入損失をより少なくできる。

ここで、中心周波数fcと波長λoの関係について説明をする。電磁波が自由空間を伝播する速度である光速c≒３×１０^８m/s（メータ/秒）とすると、中心周波数fcと波長λoは数式（２８）で関係づけられる。

上述したように、波長λoは10cmであるので、数式（２８）から計算される、中心周波数fcは6GHzとなるはずであるが、電磁波は、自由空間を伝播するのではなくマイクロストリップラインを伝播するために電磁波の伝播速度は、波長短縮率に応じて遅くなる。図７に示す、上述した諸定数を有するマイクロストリップラインの波長短縮率=3.38（GHz）/6（GHz）=0.563である。この波長短縮率は、誘電体材料、線路材料、各部の形状に依存することはいうまでもない。

図９は、実際にガラスエポキシ基板の上に形成された回路においてコンデンサC（図５を参照）の静電容量が100pFの場合の周波数特性の実測結果を示す図である。縦軸は挿入損失であり、横軸は周波数である。図９から、見て取れるように、この回路では、シミュレーションと略同様の周波数特性が得られるが、周波数が高くなると、図８を参照して説明した理由によって、挿入損失は大きくなる。

図１０は、誘電体損等の伝搬損が無いとした場合の校正した高周波フィルタの特性を示す図である。図１０に示す図は、図９に示す静電容量が100pFの場合の実測結果を、図８に示す静電容量が0の場合の実測結果で校正し（損失を差し引き）、伝搬損がなかった場合に得られるものであろう結果を演算によって求めて、その結果を示すものである。静電容量が100pFの場合のシミュレーションの結果を示す図である図６と、実際の回路の測定結果を演算により校正した結果を示す図である図１０とを比べると、実験結果とシミュレーション結果は略一致している。

上述した実施例においては、比誘電率εrが4.6のガラスエポキシ基板を用いてマイクロストリップラインを形成しているので、高周波フィルタの中心周波数を3.38GHzに設定するために基板のサイズは14cm×10cmとされた。しかし、例えば、比誘電率が44である、Y-cut LiNbO₃を誘電体として用い、中心周波数が10GHzである場合には、基板のサイズを8mm四方に縮小できる。さらに、BaTiO₃の水熱合成微粉末を誘電体として用いる場合には、比誘電率として、5000以上を得ることができるので、中心周波数を10GHzとする高周波フィルタにおいては、そのサイズを0.5mm四方とすることができる。

上述した第１実施形態では、線路L1（第１線路）の長さはL1 =1.5λoの長さとし、線路L1の入力端子L1iからの長さがλoの位置までが第１区間L1aとし、線路L1の出力端子L1oからの長さが0.5λoの位置までが第２区間L1bとし、第１区間L1aと第２区間L1bの境界を点P1とした。また、線路L2（第２線路）の長さはL2 =1.5λoの長さとし、線路L2の入力端子L2iからの長さが0.5λoの位置までが第１区間L2aとし、線路L2の出力端子L2oからの長さがλoの位置までが第２区間L2bとし、第１区間L1aと第２区間L1bの境界を点P2とした。しかしながら、第１実施形態の高周波フィルタの動作原理に基づけば、点P1と点P2とにおいて、遮断域で位相が相互にπラジアン異なる逆位相の関係にあり、且つ、通過域で2πラジアンの整数倍となる同位相の関係に選ぶことが重要である。したがって、線路L1と線路L2の長さをこれ以外の他の長さ、つまり、任意の長さ、とすることも可能である。また、点P1と点P2の位置をこれ以外の異なる位置とすることも可能である。

例えば、k、m、nを整数として、線路L1（第１線路）の長さはL1 = 0.5mλの長さとし、線路L2（第２線路）の長さはL2 = 0.5nλoの長さとし、線路L1の第１区間L1aの長さと、線路L2の第１区間L2aの長さとの差が、(k+0.5)λoとなるようにして、点P1と点P2との間にコンデンサCを配するようにしても良い。

要は、第１実施形態の高周波フィルタでは、0.5λoの長さの整数倍の長さ、或いはそれに任意の長さを加えた第１マイクロストリップラインと第２マイクロストリップラインとを備え、第１マイクロストリップラインの入力端子と第２マイクロストリップラインの入力端子とを接続し、第１マイクロストリップラインの出力端子と第２マイクロストリップラインの出力端子とを接続し、第１マイクロストリップラインの入力端子からの距離と、第２マイクロストリップラインの入力端子からの距離の差が、0.5λoの奇数倍となる、第１マイクロストリップライン上の点と第２マイクロストリップライン上の点とをイミタンス素子で接続するものである。このようにすると、第１マイクロストリップライン上の点の位相と第２マイクロストリップライン上の点の位相とが、波長λo（周波数は1/λo）においてπラジアン或いはそれに２πの整数倍を加えた位相だけ異なる逆位相となり、この２点間に接続されたイミタンス素子の効果によって、入力端子から出力端子に伝送される信号は、減算され、且つ、第１マイクロストリップライン上の点の位相と第２マイクロストリップライン上の点の位相とが、通過帯域での波長λc（周波数は1/λc）において2πラジアンの整数倍だけ異なる同位相となり、この２点間に接続されたイミタンス素子には電流が流れず減衰なく加算され、イミタンス素子の特性に応じて良好なフィルタ特性を生じるようにできる。

「第２実施形態の高周波フィルタ」
図１１は、第２実施形態の高周波フィルタを示す図である。第２実施形態の高周波フィルタF2は、マイクロストリップラインとして機能する線路L1とマイクロストリップラインとして機能する線路L2とを有している。

線路L1は、第１区間L1a、第２区間L1b、第３区間L1c、第４区間L1d、第５区間L1e、第６区間L1f、から形成されている。第１区間L1aの長さはλo、第２区間L1bの長さは0.5λo(λo/2)、第３区間L1cの長さは0.5λo、第４区間L1dの長さは0.5λo、第５区間L1eの長さは0.5λo、第６区間L1fの長さはλoとされている。第１区間L1aないし第６区間L1fまで順に線路は連結されて線路L1は形成されている。ここで、λoは予め定める所定波長である。

線路L2は、第１区間L2a、第２区間L2b、第３区間L2c、第４区間L2d、第５区間L2e、から形成されている。第１区間L2aの長さはλo、第２区間L2bの長さはλo、第３区間L2cの長さは0.5λo、第４区間L2dの長さはλo、第５区間L2eの長さはλoとされている。第１区間L2aないし第５区間L2eまで順に線路は連結されて線路L2は形成されている。

線路L1の第１区間L1aの一端は入力端子L1iであり、第１区間L1aの他端と第２区間L1bとの境界は点P11であり、第２区間L1bと第３区間L1cとの境界は点P12であり、第３区間L1cと第４区間L1dとの境界は点P13であり、第４区間L1dと第５区間L1eとの境界は点P14であり、第５区間L1eと第６区間L1fの一端との境界は点P15であり、第６区間L1fの他端は出力端子L1oである。

線路L2の第１区間L2aの一端は入力端子L2iであり、第１区間L2aの他端と第２区間L2bとの境界は点P21であり、第２区間L2bと第３区間L2cとの境界は点P22であり、第３区間L2cと第４区間L2dとの境界は点P23であり、第４区間L2dと第５区間L2eの一端との境界は点P24であり、第５区間L2eの他端は出力端子L2oである。

入力端子L1iと入力端子L2iとは接続されて、入力端子Liとされ、出力端子L1oと出力端子L2oとは接続されて、出力端子Loとされている。入力端子Liから信号が入力され、出力端子Loから信号が出力されて、高周波フィルタF2は機能する。

点P11と点P21との間にコンデンサC1が配され、点P12と点P22との間にコンデンサC2が配され、点P13と点P22との間にコンデンサC3が配され、点P13と点P23との間にコンデンサC4が配され、点P14と点P23との間にコンデンサC5が配され、点P15と点P24との間にコンデンサC6が配されている。

図１２は、図１１に示す実施形態の高周波フィルタF2の特性を計算機シミュレーションで求めた結果を示す図である。Cの値は100pFである。

図１２から見て取れるように、図６に示す、コンデンサの個数が１個のみの高周波フィルタF1の特性に場合に比べると、コンデンサC個数が複数個の高周波フィルタF2では、より狭帯域のフィルタ特性となっていることが分かる。これは、線路が多段に接続されている効果である。

図１３は別の計算機シミュレーションの結果である。図11に示す実施形態の高周波フィルタF2’の3.38GHz付近を示す図である。コンデンサCの値は500pFである。図１３の縦軸は挿入損失であり、横軸は周波数である。図１３から、見て取れるように、高周波フィルタは周波数3.38GHz付近を中心周波数とするバンドパスフィルタとして機能するが、通過帯域の幅は、高周波フィルタF1におけるよりも狭くなっている。

図１４は、さらに別の計算機シミュレーションの結果を示す図である。さらに別の計算機シミュレーションの高周波フィルタF2’’（図１１に示す高周波フィルタF2と同一の回路構成であり、コンデンサCの値のみが異なる）では、コンデンサCの値が1000pFである以外の他のパラメータは、上述した、高周波フィルタにおけると同様である。

図１４は3.38GHz付近を示す図である。図１４の縦軸は挿入損失であり、横軸は周波数である。図１４から、見て取れるように、高周波フィルタF2’’は周波数3.38GHz付近を中心周波数とするバンドパスフィルタとして機能するが、通過帯域の幅は、高周波フィルタF2及びF2’におけるよりも狭くなっている。

図１５は、計算機シミュレーションで得た、イミタンス素子であるコンデンサCの値（静電容量）と高周波フィルタの周波数帯域との関係を示す図である。この計算機シミュレーションでは，コンデンサCの静電容量（キャパシタンス：単位はpF（ピコファラッド））の大きさを変化させたときに通過域（3dB比帯域幅）がどのように変化するのかを求めた。縦軸は3dB比帯域幅（3dB減衰する帯域幅／中心周波数）であり、横軸は静電容量である。また、図１５ではコンデンサCに並列に抵抗Rpを接続し、この抵抗Rpの値が10Ω（オーム）、100Ω、抵抗なしの開放（∞Ω）の３つの場合についての計算機シミュレーションの結果を示す。

図１３、図１４、図１５に示すように、静電容量を変化させると，中心周波数は3.38GHzと同じままで，通過帯域幅が変化することが分かる。図１５から見て取れるように、図１１に示す回路では，コンデンサCの値（静電容量）が大きくなると通過帯域幅が狭くなる特徴があることが分る。

第２実施形態の高周波フィルタでは、種々の態様が可能である。m、nの各々を整数として、線路L1（第１線路）の長さはL1 = (m+0.5)λoの長さ、または、L1 = m λoとするものであっても良く、線路L2（第２線路）の長さはL2 = (n+0.5)λoの長さ、または、L2 = n λoとするものであっても良い。さらに、線路L1の長さはL1、線路L2の長さはL2は任意の長さとしても良い。重要な点は、線路L1と線路L2の接続点を基点（0）として、コンデンサを接続する点が以下に示すように、0.5λoの整数倍とされれば良いものである。

q1・・・qj（j個の数）、r1・・・rk（k個の数）s、tの各々を整数として、線路L1には、入力端子L1iから出力端子L1oまで、q1 (0.5λo) ・・・qs (0.5λo)（q1〜qnは任意整数）と、0.5λo 単位で長さが定まるs個の区間を連結して、点P11〜点P1sの各点を区間の境目として配するようにしても良い。すなわち、入力端子L1iから点P11までの長さはq1 (0.5λo)とし、点P11から点P12までの長さはq2 (0.5λo)とし、・・・点P1s-1から点P1sまでの長さはqs (0.5λo)とするようにしても良い。

また、線路L2には、入力端子L2iから出力端子L2oまで、r1 (0.5λo) ・・・rt (0.5λo)（r1〜rtは任意整数）とt個の、点P21〜点P2tの各点を配するようにしても良い。すなわち、入力端子L2iから点P21までの長さはr1 (0.5λo)とし、点P21から点P22までの長さはr2 (0.5λo)とし、・・・点P2t-1から点P2tまでの長さはrt (0.5λo)とするようにしても良い。そして、点P11・・・点P1sと点P21・・・点P2tとの間にコンデンサを配置するようにしても良い。

このような接続態様を採用すれば、線路L1における点P11・・・点P1sに対して、線路L2における点P21・・・点P1tの任意の各点は同位相であるか逆位相であるかのいずれかとなる。ここで、線路L1と線路L2の異なる線路の逆位相の点を相互にコンデンサで接続したときに、信号はキャンセルされて減衰され、帯域フィルタとしての効果を得ることができる。

第２実施形態は、上述した第１実施形態を一般化した実施形態である。要は、第２実施形態の高周波フィルタは、0.5λoの長さの整数倍の第１マイクロストリップラインと0.5λoの長さの整数倍の第２マイクロストリップラインとを備え、第１マイクロストリップラインの入力端子と第２マイクロストリップラインの入力端子とを接続し、第１マイクロストリップラインの出力端子と第２マイクロストリップラインの出力端子とを接続し、第１マイクロストリップラインの入力端子からの距離と、第２マイクロストリップラインの入力端子からの距離の差が、0、または、0.5λoの整数倍となる、第１マイクロストリップライン上の点と第２マイクロストリップライン上の点とをイミタンス素子で接続するものである。

より詳細には、第１マイクロストリップラインの入力端子と第２マイクロストリップラインの入力端子が接続された状態とする。そして、第１マイクロストリップラインの入力端子からの距離と、第２マイクロストリップラインの入力端子からの距離の差が、0.5λoの奇数倍となる、第１マイクロストリップライン上の点と第２マイクロストリップライン上の点とをイミタンス素子で接続するようにする。このようにすると、第１マイクロストリップライン上の点の位相と第２マイクロストリップライン上の点の位相とが、波長λo（周波数は1/λo）においてπラジアン異なる逆位相となり、入力端子から出力端子に伝送される信号は、減算され、且つ、第１マイクロストリップライン上の点の位相と第２マイクロストリップライン上の点の位相とが、通過帯域での波長λc（周波数は1/λc）において2πラジアンの整数倍だけ異なる同位相となり、この２点間に接続されたイミタンス素子には電流が流れず減衰なく加算され、イミタンス素子の特性に応じて、良好なフィルタ特性を生じるようになる。

「第２実施形態の変形の高周波フィルタ」
図１６は、第２実施形態の変形の高周波フィルタを示す図である。

図１６（ａ）は、第２実施形態の変形の高周波フィルタの原理を示す図である。図１６（ａ）に示す、フィルタF3は周波数特性の異なるフィルタであるフィルタ１とフィルタ２とを縦続接続して構成されている。図１６（ｂ）は、フィルタ１の周波数特性とフィルタ２の周波数特性とを同一周波数軸上に重ねて表示する図である。フィルタ１の帯域幅とフィルタ２の帯域幅とは一部が重複して、ずれている。１６（ｃ）は、フィルタF3の周波数特性を示す図である。フィルタ１の帯域幅とフィルタ２の帯域幅との重複する部分が通過帯域となる。

図１６に示すようにして、コンデンサの容量の大きさで帯域幅が変わるフィルタを２つ縦続接続すると、任意の遮断周波数をもつフィルタを得ることができる。特に、コンデンサとして、例えば電圧で容量が変わるバリキャップなどの素子を用いると、電圧でフィルタ特性を自由に変化できるため、非常に有用なフィルタとなる。例えば、最近の携帯端末では多くの電波形式を扱えるようにするために、複数のフィルタが用いられ、スイッチでそれを切り替えている。そこで、このように、特性を可変できるフィルタが実現すると、フィルタの数を減らすことができる。

ここで、図１６に示すフィルタF3において、フィルタを２つ縦続接続することのより大きな効果を生じさせるためには、フィルタ１の波長λoの値をλo₁として、フィルタ２の波長λoの値をλo_２として、λo₁の値とλo_２の値とを異ならせて、コンデンサを接続する点の位置をフィルタ１では0.5λo₁の整数倍の位置、コンデンサを接続する点の位置をフィルタ２では0.5λo₂の整数倍の位置とするのがより望ましい。

「第３実施形態の高周波フィルタ」
図１７は、第３実施形態の高周波フィルタの構成の概念を示す図である。

図１７に示す高周波フィルタF4は、マイクロストリップラインとして機能する、２つの線路である線路L1と線路L2との線路間にイミタンス素子として、ソウデバイス（SAWデバイス：SAW共振器)DSAWを挿入した構成とする。ここで、SAWデバイスDSAWは、マイクロストリップラインとは別区間としても良いが、マイクロストリップラインとSAWデバイスDSAWの両方を、比誘電率の高い同一の基板上に一体成形することもできる。また、SAWデバイスDSAWではアドミタンスの値（コンダクタンスの値とサセプタンスの値）を比較的自由に設定することができる。

上述した第２実施形態においては、イミタンス素子としてのコンデンサCの静電容量の値が大きくなれば、通過帯域が狭くなる特徴があることが分かった。第３実施形態では、この特徴を利用して、コンデンサCに替えてSAWデバイス（SAW共振器）DSAWを用いるものである。上述した第１実施形態及び第２実施形態と第３実施形態との異なる点は、点P1と点P2との間に挿入するイミタンス素子がコンデンサであるかSAWデバイスであるかであり、第３実施形態においても、第１実施形態及び第２実施形態に開示された技術を実施することが可能である。

図１８は、SAWデバイスDSAWのアドミタンス特性を表すものであり、サセプタンスBとコンダクタンスGとの周波数fに対する特性を表す図である。SAWデバイスDSAWのサセプタンスBは、コンダクタンスGの値が最大となる周波数である中心周波数から離れると傾斜が一定値となる。この傾斜はDSAWが有する静電容量Coによるものである。

一方、コンデンサCにおいても、静電容量が一定であるので、SAWデバイスDSAWのサセプタンスBの傾斜が一定な部分はコンデンサCと等価な作用を奏する。よって、SAWデバイスDSAWのサセプタンスBの傾斜一定部の特性に対応する等価静電容量の値を、第１実施形態のイミタンス素子としてのコンデンサCの静電容量の値と等しくすることによって、高周波フィルタとしての良好な特性を得ることができる。

図１９は、SAWデバイスDSAWの特性と第３実施形態の高周波フィルタの周波数特性との関係を示す図である。図１９の上段は高周波フィルタの周波数特性を示すものであり、縦軸は挿入損失を表し、横軸は周波数を表す。図１９の下段はSAWデバイスDSAWのサセプタンスの周波数特性を示すものであり、縦軸はサセプタンスを表し、横軸は周波数を表す。SAWデバイスDSAWをマイクロストリップラインに挿入するに際しては、SAWデバイスDSAWのサセプタンスＢの傾斜一定部を図１９で示すBaとBbの間とする。このようにSAWデバイスDSAWを用いると、第１実施形態における、コンデンサCをイミタンス素子として２つのマイクロストリップラインの間に挿入する場合に比べて、より急峻な遮断特性を有する帯域フィルタを得ることができる。

ここで、マイクロストリップラインとSAWデバイスを同一基板上に形成する場合には、基板上にマイクロストリップラインのパターンを形成するとともに、イミタンス素子であるSAWデバイスについては規則性のすだれ状電極(IDT)のパターンを形成する。

よって、例えば、マイクロストリップラインとSAWデバイスDSAWとを別部材とする場合には、マイクロストリップライン部分は同一形状とし、SAWデバイスDSAWのみを交換することによって容易に帯域幅を変化させることができる。また、マイクロストリップラインとSAWデバイスDSAWとを同一基板に形成する場合には、マイクロストリップラインのパターン、または／および、SAWデバイスDSAWのすだれ状電極のパターンを変更することによって高周波フィルタの特性を変更することができる。

上述した第１実施形態ないし第３実施形態において示された、２以上の技術を任意に組み合わせることによって、新たな実施形態として実施することが可能である。

B サセプタンス、 C コンデンサ、DSAW SAWデバイス（ソウデバイス、SAW共振器）、Co SAWデバイスの静電容量、 f 周波数、 F1、F2、F3、F4 高周波フィルタ、 I1、I1”、I2、I2” 電流、 L1a、L1b、L1c、L1d、L1e、L1f、L2a、L2b、L2c、L2d、L2e、 区間、 Li、L1i、L2i 入力端子、 Lo、L1o、L2o 出力端子、 L1、L2 線路、 R、Rp 抵抗、 T1、T2、T3、T4、Ta、Tc、Tr、Trc、Ty、 縦続行列、V1、V2、V1”、V2” 電圧、 Vlos 挿入損失、 W 線幅、 Y アドミタンス（アドミタンス素子）、 Z11、Z12、Z13、Z21、Z22、Z23、Z31、Z32、Z33、Z41、Z42、Z43 インピーダンス素子

Claims (4)

1. 第１マイクロストリップラインと第２マイクロストリップラインとを備え、
   前記第１マイクロストリップラインの入力端子と前記第２マイクロストリップラインの入力端子とを接続し、
   前記第１マイクロストリップラインの出力端子と前記第２マイクロストリップラインの出力端子とを接続し、
   所定波長をλoとして、前記第１マイクロストリップラインの入力端子からの距離と、前記第２マイクロストリップラインの入力端子からの距離との差が、0.5λoの奇数倍となる、前記第１マイクロストリップライン上の第１点と前記第２マイクロストリップライン上の第２点との間をイミタンス素子で接続して、形成され、
   前記第１点の位相と前記第２点の位相とが２πラジアンの整数倍だけ異なるとき、前記イミタンス素子に電流が流れず、前記第１マイクロストリップラインと前記第２マイクロストリップラインを伝送される信号が減衰無く加算されて前記出力端子から出力され、
   前記第１点の位相と前記第２点の位相とが２πラジアンの整数倍だけ異なるとき以外は、前記イミタンス素子を介して前記第１マイクロストリップラインと前記第２マイクロストリップラインを伝送される信号が干渉して減衰されて前記出力端子から出力される
   高周波フィルタ。
2. 前記イミタンス素子が、コンデンサである請求項１に記載の高周波フィルタ。
3. 前記イミタンス素子が、ソウデバイスである請求項１に記載の高周波フィルタ。
4. 前記第１マイクロストリップラインのパターンと、前記第２マイクロストリップラインのパターンと、前記ソウデバイスのすだれ状電極のパターンと、が、同一基板上に形成される請求項３に記載の高周波フィルタ。

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