JP5674494B2 - 高周波フィルタ及び高周波モジュール - Google Patents

Description

この発明は、例えば、高周波通信装置などの高周波モジュール内に実装される空洞共振型の共振器である高周波フィルタと、その高周波フィルタを実装している高周波モジュールとに関するものである。

空洞共振型の共振器である高周波フィルタでは、一般的に、共振器のインダクタンス成分が、電流が流れる導体部分により形成され、共振器の容量成分が、その導体部分の周囲に設けられているキャビティとの間に形成される浮遊容量により得られる。
例えば、以下の特許文献１に開示されている空洞共振型の共振器では、インダクタンス成分を形成するための導体パターンがコイルパターンであり、スパイラル状を呈する構造となっている。

以下の特許文献２，３には、共振器が実装されている高周波モジュールが開示されている。
この高周波モジュールでは、筺体内での不要な電磁波の伝播を阻止する目的で、複数の共振器が周期的に配置されている周期構造体を設けている。
即ち、この高周波モジュールでは、筺体の蓋に周期構造体を設けることで、所望帯域で高インピーダンス面を形成し、その周期構造体を含む筺体の内部で問題となる不要な電磁波の周波数を含む周波数帯を非伝播周波数帯域とするフィルタを構成している。

特開２０００−９１８０５号公報（段落番号［００１０］、図３） 特許第３７３９２３０号（段落番号［０００９］、図１） 特開２００４−２２５８７号公報（段落番号［０００７］）

従来の高周波フィルタは以上のように構成されているので、インダクタンス成分を形成するための導体パターンをコイルパターンとする場合、構造が複雑なスパイラル状を呈する導体パターンを形成する必要がある。このため、製造が面倒でコスト高を招くなどの課題があった。
なお、筺体の蓋に周期構造体を設ければ、筺体内での不要な電磁波の伝播を阻止することができるが、筺体の蓋に周期構造体を形成する製造は面倒であるため、コスト高を招くなどの課題があった。

この発明は上記のような課題を解決するためになされたもので、製造が容易な簡易の構造で、不要な電磁波の伝播を阻止することができる高周波フィルタを得ることを目的とする。
また、この発明は、製造が容易な簡易の構造の高周波フィルタを実装している高周波モジュールを得ることを目的とする。

この発明に係る高周波フィルタは、金属壁で覆われている箱であるキャビティ内に設けられている基板と、その基板の表面に実装されている導体パッチと、上端が導体パッチの下面と接している状態で、その基板内に埋め込まれている導電棒とを備え、その導体パッチの開放端と導電棒を含む面におけるキャビティの断面の長手方向に電磁波が伝播しないように、そのキャビティの断面の短手方向の寸法が、その導電棒の中心から導体パッチの開放端までの距離と基板の誘電率に基づいて決定され、導体パッチのうち、導体パッチの開放端よりも導体棒に近い領域の一部が抵抗体で構成されているものである。

この発明によれば、金属壁で覆われている箱であるキャビティ内に設けられている基板と、その基板の表面に実装されている導体パッチと、上端が導体パッチの下面と接している状態で、その基板内に埋め込まれている導電棒とを備え、その導体パッチの開放端と導電棒を含む面におけるキャビティの断面の長手方向に電磁波が伝播しないように、そのキャビティの断面の短手方向の寸法が、その導電棒の中心から導体パッチの開放端までの距離と基板の誘電率に基づいて決定され、導体パッチのうち、導体パッチの開放端よりも導体棒に近い領域の一部が抵抗体で構成されているように構成したので、製造が容易な簡易の構造で、不要な電磁波の伝播を阻止することができ、かつ、抑圧特性の広帯域化を図ることが可能な高周波フィルタが得られる効果がある。

この発明の実施の形態１による高周波フィルタを示す上面図及び断面図である。 距離Ｗ１と距離Ｗ２が異なる場合の共振器５の抑圧特性と反射特性を示す説明図である。 この発明の実施の形態１による他の高周波フィルタを示す上面図及び断面図である。 この発明の実施の形態２による高周波フィルタを示す上面図及び断面図である。 この発明の実施の形態３による高周波フィルタを示す上面図及び断面図である。 管内波長の約１／４の間隔で配列される共振器５ａ、共振器５ｂ、共振器５ｃ、共振器５ｄ及び共振器５ｅにおける導体パッチ３に係る距離Ｗ１，Ｗ２の一例を示す説明図である。 ５個の共振器５（共振器５ａ、共振器５ｂ、共振器５ｃ、共振器５ｄ及び共振器５ｅ）が配置されている場合の抑圧特性と反射特性を示す説明図である。 この発明の実施の形態４による高周波フィルタを示す上面図及び断面図である。 ５個の共振器１２（共振器１２ａ、共振器１２ｂ、共振器１２ｃ、共振器１２ｄ及び共振器１２ｅ）が配置されている場合の抑圧特性と反射特性を示す説明図である。 この発明の実施の形態５による高周波モジュールを示す構成図である。 この発明の実施の形態５による高周波モジュールを示す上面図及び断面図である。

実施の形態１．
図１（ａ）はこの発明の実施の形態１による高周波フィルタを示す上面図であり、（ｂ）はこの発明の実施の形態１による高周波フィルタを示す断面図である。
図１において、キャビティ１は金属壁で覆われている箱であり、内部には基板２が設けられている。
基板２の表面２ａには導体パッチ３が実装されている。
導電棒４は上端が導体パッチ３の下面と接している状態で、基板２内に埋め込まれている。
図１の例では、５個の導電棒４が直線上に配置されている。
なお、導体パッチ３及び導電棒４から共振器５が構成されており、この共振器５は、１／４波長の共振器が２個組み合わされた構造である。

図１の高周波フィルタでは、導体パッチの開放端３ａ，３ｂと導電棒４を含む面におけるキャビティ１の断面の長手方向に電磁波が伝播しないように、キャビティ１の断面の短手方向の寸法Ｄ１が、導電棒４の中心から導体パッチ３の開放端３ａまでの距離Ｗ１と基板２の誘電率εに基づいて決定されている。
即ち、導電棒４の中心から導体パッチ３の開放端３ａ，３ｂまでの距離Ｗ１，Ｗ２（Ｗ１＝Ｗ２、または、Ｗ１＞Ｗ２）が、キャビティ１の断面の長手方向に伝播する電磁波の周波数における波長λの４分の１程度であって、基板２の誘電率εが１５以下である場合、キャビティ１の断面の短手方向の寸法Ｄ１は、距離Ｗ１×２√１５以下の長さに決定されている。

以下、図１の高周波フィルタの作用等を説明する。
一般的に、高周波モジュールを構成する筐体（図示せず）の内部のキャビティ１が、両端が短絡されている導波管とみなすと、キャビティ１の寸法は、この導波管の基本モードであるＴＥ１０モードの遮断周波数が、高周波モジュールで使用する最高周波数より高くなるように決定されることが多い。また、高次モードであるＴＥ０１モードが発生しないように決定されることが多い。

しかし、高周波モジュールを構成する筐体の内部に設けられている高周波回路の不連続部から、高周波モジュールで使用する周波数の高調波（２倍波、３倍波など）が発生する場合がある。
この高調波は、ＴＥ１０モードの遮断周波数よりも高い周波数となるので、キャビティ１内を不要な電磁波として伝播することがある。
この不要な電磁波を抑圧するには、キャビティ１の寸法を小さくして、遮断周波数を高める方法があるが、キャビティ１の内部には高周波回路素子などが実装されるため、キャビティ１の寸法には制約があり、小さくできない場合がある。

そこで、この実施の形態１では、不要な電磁波を抑圧する目的で、共振器５をキャビティ１の内部に設けている。
共振器５における不要波抑圧構造としての動作原理は、共振器５とキャビティ１内の不要な電磁波の伝播路とが結合することにより、帯域阻止フィルタが構成される原理である。

ただし、キャビティ１の断面の短手方向の寸法Ｄ１が大きいと、共振器５と不要な電磁波の伝播路とが十分に結合されないため、十分な抑圧効果が得られない。
そこで、この実施の形態１では、十分な抑圧効果が得られるようにするために、キャビティ１内に設けている基板２の誘電率εが１５以下である条件の下で、高次モードであるＴＥ０１モード（キャビティ１の断面の長手方向に伝播する電磁波）が発生しない範囲で、キャビティ１の断面の短手方向の寸法Ｄ１を決定している。
即ち、キャビティ１の断面の短手方向の寸法Ｄ１を、距離Ｗ１×２√１５以下の長さに決定することで、十分な抑圧効果が得られるようにしている。

ここで、図２は距離Ｗ１と距離Ｗ２が異なる場合の共振器５の抑圧特性と反射特性を示す説明図である。
図２において、Ｆ１，Ｆ２は距離Ｗ１，Ｗ２が共に約１／４波長である場合の共振周波数である。
共振周波数Ｆ１，Ｆ２の近辺では、図２に示すように、非伝播周波数帯域が生じている。
ただし、図２の例は、Ｗ１＝１．１１ｍｍ、Ｗ２＝１．０６ｍｍ、Ｄ１＝２．８ｍｍ、Ｄ２＝８．５１ｍｍ、導体パッチ３における距離Ｗ１，Ｗ２と垂直な辺の長さＬ＝３．４３ｍｍ、導体棒４の本数＝５本、導体棒４の直径Φ＝０．３ｍｍ、基板２の厚さ＝０．６３５ｍｍ、 基板２の誘電率ε＝９．８である場合の通過特性と反射特性である。
また、Ｆ１＝１６．９ＧＨｚ、Ｆ２＝１８．７ＧＨｚである。

図２の例では、導体パッチ３における距離Ｗ１，Ｗ２と垂直な辺の長さＬが、８．５１ｍｍであるものを示しているが、長さＬは任意であり、キャビティ１内で許容できる配置スペースの寸法に応じて変えることができる。
ただし、距離Ｗ１，Ｗ２と垂直な辺の長さＬが長い程、共振器５の抑圧特性における抑圧量を大きくすることができる。したがって、長さＬを適宜設定することにより、抑圧量を調整することができる。

以上で明らかなように、この実施の形態１によれば、キャビティ１内に設けられている基板２と、その基板２の表面２ａに実装されている導体パッチ３と、上端が導体パッチ３の下面と接している状態で、その基板２内に埋め込まれている導電棒４とを備え、その導体パッチ３の開放端３ａ，３ｂと導電棒４を含む面におけるキャビティ１の断面の長手方向に電磁波が伝播しないように、そのキャビティ１の断面の短手方向の寸法Ｄ１が、その導電棒４の中心から導体パッチ３の開放端３ａまでの距離Ｗ１と基板２の誘電率εに基づいて決定されているように構成したので、製造が容易な簡易の構造で、不要な電磁波の伝播を阻止することができる高周波フィルタが得られる効果を奏する。

なお、この実施の形態１では、Ｗ１＝Ｗ２、または、Ｗ１＞Ｗ２であるものを示したが、Ｗ１＝Ｗ２の場合、１帯域しか抑圧帯域が発生しないのに対して、Ｗ１＞Ｗ２（または、Ｗ１＜Ｗ２）の場合、図２に示すように、抑圧帯域が２帯域発生するため、Ｗ１＝Ｗ２の場合よりも、抑圧帯域の広帯域化を図ることができる。

この実施の形態１では、キャビティ１の形状が矩形である例を示したが、キャビティ１の形状は矩形に限るものではなく、他の形状であってもよい。

また、この実施の形態１では、共振器５が、１／４波長の共振器が２個組み合わされた構造であるものを示したが、図３に示すように、マッシュルーム構造の共振器１１であってもよい。
マッシュルーム構造の共振器１１は、一辺の寸法が約１／２波長（Ｗ１＋Ｗ２）の導体パッチ３と、１本の導電棒４から構成されている。

通常、マッシュルーム構造の共振器は、高インピーダンス面を形成して、電磁波の抑圧効果を得るために、キャビティ１内に周期構造として複数個設けられる（例えば、特許文献３を参照）。
しかし、図３の例では、マッシュルーム構造の共振器１１を単体配置するだけで、電磁波を抑圧する効果が得られる。
因みに、図１の共振器５（１／４波長の共振器が２個組み合わされた構造）では、複数の導体棒４を備える構造であるため、導体パッチ３と導電棒４を流れる電流が、１本の導電棒４を備えるマッシュルーム構造の共振器１１より大きくすることができる。
このため、マッシュルーム構造の共振器１１よりも、伝播路との磁界結合を大きくすることができ、電磁波の抑圧量を大きくすることができる。
また、図１の共振器５では、距離Ｗ１，Ｗ２と垂直な辺の長さＬを任意に変えることができるため、マッシュルーム構造の共振器１１よりも、制約があるキャビティ１内の配置の自由度が大きくなる。

実施の形態２．
図４（ａ）はこの発明の実施の形態２による高周波フィルタを示す上面図であり、（ｂ）はこの発明の実施の形態２による高周波フィルタを示す断面図である。図４において、図１と同一符号は同一または相当部分を示すので説明を省略する。
図４の高周波フィルタでは、導体パッチ３の一部が抵抗体６で構成されている。
即ち、基板２の表面２ａに実装されている導体パッチ３のうち、大きな電流が流れる導電棒４の近辺が抵抗体６で構成されている。
一部が抵抗体６で構成されている導体パッチ３と導電棒４から共振器１２を構成することで、導体パッチ３での損失が増加するためＱ値が小さくなり、抑圧特性の広帯域化を図ることができる効果を奏する。

実施の形態３．
図５（ａ）はこの発明の実施の形態３による高周波フィルタを示す上面図であり、（ｂ）はこの発明の実施の形態３による高周波フィルタを示す断面図である。
図５の高周波モジュールでは、導体パッチ３及び導電棒４からなる複数の共振器５（共振器５ａ、共振器５ｂ、共振器５ｃ、共振器５ｄ、共振器５ｅ）が、管内波長の約１／４の間隔で配列されることで、高周波フィルタ１３が構成されている。

図６は管内波長の約１／４の間隔で配列される共振器５ａ、共振器５ｂ、共振器５ｃ、共振器５ｄ及び共振器５ｅにおける導体パッチ３に係る距離Ｗ１，Ｗ２の一例を示す説明図である。
また、図７は５個の共振器５（共振器５ａ、共振器５ｂ、共振器５ｃ、共振器５ｄ及び共振器５ｅ）が配置されている場合の抑圧特性と反射特性を示す説明図である。

管内波長の約１／４の間隔で５個の共振器５（共振器５ａ、共振器５ｂ、共振器５ｃ、共振器５ｄ、共振器５ｅ）が配置され、５個の共振器５における導体パッチ３に係る距離Ｗ１，Ｗ２が図６の通りである場合、５個の共振器５の抑圧特性は、図７に示すように、１０ｄＢ以下の帯域では、１６．８−１９．６ＧＨｚとなり、１６％である。

この実施の形態３では、図１の高周波フィルタと同様の動作原理によって、キャビティ１の断面の長手方向に伝播する電磁波を抑圧することができるが、１個の共振器５を配置する場合よりも、広帯域な抑圧特性が得られる。
なお、この実施の形態３では、５個の共振器５を管内波長の約１／４の間隔で配列している例を示しているが、配列する共振器５の個数は５個に限るものではなく、また、配列する共振器５の間隔は管内波長の約１／４の間隔に限るものではない。

実施の形態４．
図８（ａ）はこの発明の実施の形態４による高周波フィルタを示す上面図であり、（ｂ）はこの発明の実施の形態４による高周波フィルタを示す断面図である。
図８の高周波モジュールでは、一部が抵抗体６で構成されている導体パッチ３及び導電棒４からなる複数の共振器１２（共振器１２ａ、共振器１２ｂ、共振器１２ｃ、共振器１２ｄ、共振器１２ｅ）が、管内波長の約１／４の間隔で配列されることで、高周波フィルタ１４が構成されている。
図９は５個の共振器１２（共振器１２ａ、共振器１２ｂ、共振器１２ｃ、共振器１２ｄ及び共振器１２ｅ）が配置されている場合の抑圧特性と反射特性を示す説明図である。

管内波長の約１／４の間隔で５個の共振器１２（共振器１２ａ、共振器１２ｂ、共振器１２ｃ、共振器１２ｄ及び共振器１２ｅ）が配置され、５個の共振器１２における導体パッチ３に係る距離Ｗ１，Ｗ２が図６の通りである場合、５個の共振器１２の抑圧特性は、図９に示すように、１０ｄＢ以下の帯域では、１６．２−１９．６ＧＨｚとなり、１９％である。
ただし、図９では、導体パッチ３の一部の抵抗体６として、２０Ω／□の抵抗膜が０．１ｍｍ幅で装荷されているものとしている。

この実施の形態４では、図４の高周波フィルタと同様の動作原理によって、キャビティ１の断面の長手方向に伝播する電磁波を抑圧することができるが、１個の共振器１２を配置する場合よりも、広帯域な抑圧特性が得られる。
なお、この実施の形態４では、５個の共振器１２を管内波長の約１／４の間隔で配列している例を示しているが、配列する共振器１２の個数は５個に限るものではなく、また、配列する共振器１２の間隔は管内波長の約１／４の間隔に限るものではない。
また、この実施の形態４では、抵抗体６が抵抗膜である例を示しているが、抵抗体６は抵抗膜に限るものではなく、例えば、チップ抵抗などでもよい。

実施の形態５．
図１０はこの発明の実施の形態５による高周波モジュールを示す構成図である。
図１１（ａ）はこの発明の実施の形態５による高周波モジュールを示す上面図であり、（ｂ）はこの発明の実施の形態５による高周波モジュールを示す断面図である。
図１０及び図１１において、高周波モジュール２０は上記実施の形態１〜４のうちのいずれかの高周波フィルタを実装している。
図１０及び図１１では、図５の高周波フィルタ１３を実装している例を示している。
キャビティ１内には、例えば、高周波通信装置における増幅器などの高周波回路素子２１，２３や、その他の回路が設けられている。
基板２には高周波回路素子２１，２３から出力された信号を高周波回路素子２３，２１に伝播する伝送線路２２が施されている。なお、伝送線路２２には、いわゆる線路だけでなく、何らかの回路が含まれていることがある。
導体パッチ３と伝送線路２２の間隔は、基板２の厚さ以上である。

高周波モジュール２０の内部には、不連続な箇所があり（例えば、高周波回路素子２１，２３と伝送線路２２の間）、その不連続な箇所から不要な電磁波が発生する。
しかし、高周波モジュール２０の内部には、高周波フィルタ１３が実装されているので、その不連続な箇所から発生する不要な電磁波の伝播を抑圧することができる。
なお、高周波フィルタ１３は、回路を含む伝送線路２２から基板２の厚さ以上離して配置されているので、高周波フィルタ１３の影響が当該回路に及ぶ可能性は低い。

この実施の形態５によれば、高周波フィルタ１３を高周波モジュール２０内の既存の回路と共平面に配置することが可能であるため、製造が容易であり、低コスト化を図ることができる。

なお、本願発明はその発明の範囲内において、各実施の形態の自由な組み合わせ、あるいは各実施の形態の任意の構成要素の変形、もしくは各実施の形態において任意の構成要素の省略が可能である。

１ キャビティ、２ 基板、２ａ 基板の表面、３ 導体パッチ、３ａ，３ｂ 導体パッチの開放端、４ 導電棒、５，５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄ，５ｅ 共振器、６ 抵抗体、１１ 共振器、１２，１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄ，１２ｅ 共振器、１３，１４ 高周波フィルタ、２０ 高周波モジュール、２１，２３ 高周波回路素子、２２ 伝送線路、Ｄ１ キャビティの断面の短手方向の寸法、Ｄ２ キャビティの断面の長手方向の寸法。

Claims (7)

1. 金属壁で覆われている箱であるキャビティ内に設けられている基板と、上記基板の表面に実装されている導体パッチと、上端が上記導体パッチの下面と接している状態で、上記基板内に埋め込まれている導電棒とを備え、
   上記導体パッチの開放端と上記導電棒を含む面における上記キャビティの断面の長手方向に電磁波が伝播しないように、上記キャビティの断面の短手方向の寸法が、上記導電棒の中心から上記導体パッチの開放端までの距離と上記基板の誘電率に基づいて決定され、
   上記導体パッチのうち、上記導体パッチの開放端よりも上記導体棒に近い領域の一部が抵抗体で構成されていることを特徴とする高周波フィルタ。
2. 複数の導電棒が基板内に埋め込まれていることを特徴とする請求項１記載の高周波フィルタ。
3. 導電棒の中心から導体パッチの開放端までの距離が、キャビティの断面の長手方向に伝播する電磁波の周波数における波長の略４分の１であって、基板の誘電率が１５以下である場合、上記キャビティの断面の短手方向の寸法が、上記距離×２√１５以下の長さに決定されていることを特徴とする請求項１または請求項２記載の高周波フィルタ。
4. 導電棒の中心から導体パッチにおける一方の開放端までの距離と、他方の開放端までの距離とが異なっていることを特徴とする請求項１から請求項３のうちのいずれか１項記載の高周波フィルタ。
5. 請求項１から請求項４のうちのいずれか１項記載の高周波フィルタが複数個配置されていることを特徴とする高周波フィルタ。
6. 金属壁で覆われている箱であるキャビティ内に設けられている高周波回路素子と、上記キャビティ内に設けられ、上記高周波回路素子から出力された信号を伝播する伝送線路が施されている基板と、上記基板の表面に実装されている導体パッチと、上端が上記導体パッチの下面と接している状態で、上記基板内に埋め込まれている導電棒とを備え、
   上記導体パッチの開放端と上記導電棒を含む面における上記キャビティの断面の長手方向に電磁波が伝播しないように、上記キャビティの断面の短手方向の寸法が、上記導電棒の中心から上記導体パッチの開放端までの距離と上記基板の誘電率に基づいて決定され、 上記導体パッチのうち、上記導体パッチの開放端よりも上記導体棒に近い領域の一部が抵抗体で構成されていることを特徴とする高周波モジュール。
7. 導体パッチと伝送線路の間隔が、基板の厚さ以上であることを特徴とする請求項６記載の高周波モジュール。

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