JP6079251B2 - 共振器、フィルタ、およびフィルタバンク - Google Patents

Description

この発明は、マイクロ波帯で使用される共振器及び共振器を用いたフィルタ、フィルタバンクに関するものである。

従来の共振器を用いた分布定数帯域通過フィルタは、入出力端子間に一方の先端が地導体に接続され、一方の先端は開放された、通過帯域で長さが約１／４波長の奇数倍となる信号導体（先端開放スタブ）を、所望の電気特性が得られるように複数配置することで、実現される。（例えば、非特許文献１参照）。

G. Matthaei 他、"Microwave Filters, Impedance-Matching Networks, and Coupling Structures", p.614. (Artech House, 1980年出版)

しかしながら、従来技術には次のような課題がある。
低損失化のために、誘電体基板を用いず中空トリプレート線路、中空コプレナー線路、または中空マイクロストリップ線路等を用いて従来の帯域通過フィルタを実現した場合、長さが約１／４波長の奇数倍となる先端が開放された信号導体の先端付近は、機械的に支持されない。このため、薄い金属板を用いて帯域通過フィルタを実現した場合、外部から振動が加わると、信号導体が機械的に共振し、長い時間が経過すると信号導体と地導体を接続する部分（信号導体の根元部分）が金属疲労により破断するという問題がある。

また、薄い金属板を用いて帯域通過フィルタを実現した場合に外部から振動が加わると、信号導体が機械的に振動するため、フィルタを構成する共振器の共振周波数が時間的に変化することから、フィルタの特性が時間的に変化するという問題がある。

一方、外部から振動が加わっても信号導体の破断や時間的な特性変化を起き難くする方法として、信号導体を形成する金属板の厚みを厚くする方法がある。しかし、金属板の両側からエッチング液をかけることでエッチングする両面エッチング加工により金属板を加工した場合、一般にエッチング誤差は金属板の厚みのおよそ±１０％となり、金属板の片側からエッチング液をかける片面エッチング加工を用いた場合、金属板の厚みのおよそ±１００％にもなる。つまり、エッチングにより金属板を加工した場合、金属板の厚みが厚くなるとエッチング誤差が大きくなることから、信号導体等の寸法ばらつきが大きくなる。このため、フィルタ特性がばらつくという問題がある。

すなわち、エッチング誤差を小さくなるように、薄い金属板を用いて帯域通過フィルタを実現した場合には、外部から振動が加わると信号導体の破断や時間的な特性変化が起こる。一方、外部から振動が加わっても信号導体の破断や時間的な特性変化が起きないようにするために、厚い金属板を用いて帯域通過フィルタを実現した場合には、エッチング誤差が大きくなり、フィルタ特性がばらつくという問題がある。

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あり、エッチング誤差による特性ばらつきを低減しつつ、機械的な振動が加わっても信号導体の破断や時間的な特性変化が起き難い共振器、及び帯域通過フィルタ、フィルタバンクを得ることを目的としている。

この発明に係る共振器は、
金属筐体と、
平板状であり、前記金属筐体に固定される第１の地導体、前記第１の地導体から延伸し長さが所定の動作周波数における１／４波長の奇数倍である第１の信号導体、を有する第１の金属板と、
平板状であり、前記第１の地導体に接合される第２の地導体、前記第１の信号導体に接合される部分の縁部が接合面の垂直方向から見て前記第１の信号導体の縁部よりも内側となるように前記第１の信号導体に接合される第２の信号導体、を有する第２の金属板と、
を備え、
接合された前記第１の信号導体と前記第２の信号導体が中空線路を構成することを特徴とするものである。

この発明に係る共振器の効果は、薄い金属板を複数枚重ねることで、外部から機械的な振動が加わっても機械的な強度が増加するため、信号導体が破断しづらいこと、時間的な特性変化が起き難いこと、である。

また、薄い金属板をエッチング加工するため、エッチング誤差を小さくできることから、エッチング誤差による特性変動を小さくできるという効果もある。

また、第１の金属板と第２の金属板を重ねて接続する場合、一般にはエッチング誤差や、第１の金属板と第２の金属板間の位置ずれ等の製造誤差により、第１の金属板と第２の金属板は位置がずれて接合される可能性がある。このとき、第１の信号導体から第２の信号導体がはみ出た場合、電気的には共振器の幅や長さが変化したことと等価となるため、共振周波数が変動するという問題がある。しかし、上記のような製造誤差が生じても、第２の信号導体の縁が第１の信号導体の縁よりはみ出さず、且つ第２の信号導体側の第２の地導体の縁が第１の地導体の縁からはみ出さないように寸法を決定することで、第２の信号導体の縁が第１の信号導体及び第１の地導体の縁からはみ出さないようにすることができる。第１の信号導体の方が、第２の信号導体よりも線路幅が広く長いため、第１の信号導体、及び第１の地導体の形状により共振器の特性がほぼ決定されることから、上記のようなエッチング誤差や金属板の位置ずれ等の製造誤差が生じても、共振器の特性変化を小さくできるという効果がある。

また、第１の金属板の厚みを薄くし、第２の金属板の厚みを厚くすることで、共振周波数を決定する第１の金属板のエッチング誤差を更に小さくしつつ、第２の金属板により機械的強度を保つことができる。つまり、第１の金属板の厚みを薄くし、第２の金属板の厚みを厚くすることで、共振周波数の調整が不要であり、外部から機械的な振動が加わっても信号導体が破断しづらく、時間的な特性変化も起き難い共振器を実現できるという効果もある。

この発明の実施の形態１による共振器を示す構成図 この発明の実施の形態１による共振器の一部を示す上面図 この発明の実施の形態１による共振器を示す断面図 この発明の実施の形態１による共振器の一部を示す上面図 この発明の実施の形態１による共振器を示す断面図 この発明の実施の形態１による共振器の一部を示す上面図 この発明の実施の形態１による共振器を示す構成図 この発明の実施の形態１による共振器の一部を示す上面図 この発明の実施の形態１による共振器を示す断面図 この発明の実施の形態１による共振器の一部を示す上面図 この発明の実施の形態１による共振器を示す断面図 この発明の実施の形態１による共振器を示す断面図 この発明の実施の形態２によるフィルタの一部を示す上面図 この発明の実施の形態２によるフィルタを示す断面図 この発明の実施の形態２によるフィルタの一部を示す上面図 この発明の実施の形態２によるフィルタを示す断面図 この発明の実施の形態３によるフィルタバンクを示す構成図 この発明の実施の形態３によるフィルタバンクの一部を示す上面図 この発明の実施の形態３によるフィルタバンクを示す断面図 この発明の実施の形態３によるフィルタバンクを示す断面図

以下、この発明の中空線路を用いた共振器、及びフィルタの好適な実施の形態につき図面を用いて説明するが、各図において同一、または相当する部分については、同一符号を付して説明する。

実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１に係る共振器の俯瞰図である。図１において、１は第１の金属板、２は第２の金属板、３は金属筐体、４は第１の金属板１、第２の金属板２及び金属筐体３を固定するネジである。また、図２は第１の金属板１、及び第２の金属板２の上面図である。また、図２におけるＡ−Ａ‘における断面図を図３に示す。

第１の金属板１は平板状であり、図２において、第１の信号導体１０と、第１の地導体１１と、第３の地導体１３、第４の地導体１４とを備え、第１の信号導体１０は第１の地導体１１から延伸し、第１の信号導体１０の一方の端部が第１の地導体１１に接続される。第１の地導体１１は、第３の地導体１３と第４の地導体１４を介して接続される。第４の地導体１４は第１の信号導体１０と隣接して配置されている。

第２の金属板２は平板状であり、図２において、第２の信号導体２０と、第２の地導体２２と、第５の地導体２５と、第６の地導体２６とを備え、第２の信号導体２０の一方の端部は第２の地導体２１に接続され、第２の地導体２２は、第５の地導体２５と第６の地導体２６を介して接続される。

実施の形態１に係る共振器は、第１の金属板１と第２の金属板２と金属筐体３からなり、第１の金属板１と第２の金属板２は拡散接合により、電気的および機械的に接合されている。
これに伴い、第１の信号導体１０と第２の信号導体２０、第１の地導体１１と第２の地導体２２、第１の地導体１１と第２の地導体２２、第３の地導体１３と第５の地導体２５、第４の地導体１４と第６の地導体２６、がそれぞれ接合されている。

また、第１の金属板１と第２の金属板２との位置ずれ、第１の金属板１のエッチング誤差、及び第２の金属板２のエッチング誤差が生じても、第２の信号導体２０の縁部が第１の信号導体１０の縁部からはみ出さないようにしている。すなわち、第１の信号導体１０と第２の信号導体２０が接合される接合面に対して垂直な方向（上面図である図２の紙面に垂直な上面方向）から見たときに、第２の金属板２の第２の信号導体２０の縁部が第１の金属板１の第１の信号導体１０の縁部よりも内側になるように、第２の信号導体２０の寸法を決定している。

また、実施の形態１では、この共振器の周辺に入出力手段である２つの入出力線路３０が配置され、第１の地導体１１と第３の地導体１３は金属筐体３に電気的に接続され機械的に固定される。

第１の信号導体１０の長さは共振周波数の約１／４波長である。実施の形態１にかかる共振器では、第１の信号導体１０の先端は開放され、もう一方の先端は第１の地導体１１に接続されている。このため、第１の信号導体１０の長さが約１／４波長の奇数倍となる周波数で、電気的に共振する。したがって、この周波数を所定の動作周波数として共振器として動作する。

したがって、一方の入出力線路３０から入力された信号は、第１の信号導体１０が電気的に共振する周波数付近の成分のみが共振器に結合し、更に第１の信号導体１０が電気的に共振する周波数付近の成分のみが、もう一方の入出力線路３０に結合して出力される。つまり、実施の形態１の共振器による回路は１段の帯域通過フィルタとして動作する。

実施の形態１に係る共振器に外部から機械的な振動が加わった場合、第１の信号導体１０と第２の信号導体２０は拡散接合により接続されており、機械的強度が向上するため、薄い金属板１枚を用いて共振器の信号導体を実現した場合よりも機械的な共振が起き難く、破断しにくい。

また、エッチング加工では、金属板の厚みにおよそ比例してエッチング誤差の範囲が決定される。したがって、実施の形態１に係る共振器では薄い金属板である第１の金属板１をエッチング加工することから、エッチングによる寸法誤差を小さくできるため、エッチング誤差による周波数変動が小さく、共振周波数の調整が不要となる。

また、実施の形態１に係る共振器では、第１の金属板１と第２の金属板２との位置ずれ、第１の金属板１のエッチング寸法誤差、及び第２の金属板２のエッチング寸法誤差が生じても、第２の信号導体２０の縁部が第１の信号導体１０の縁部からはみ出さないように、第２の金属板２の縁が第１の金属板１の縁よりも内側になるように寸法が決定されているため、例えば、図４、図５に示すように、第２の金属板２が第１の金属板１に対して位置がずれて拡散接合されても、第２の金属板２が第１の金属板１からはみ出すことがない。第１の金属板１と第２の金属板２の位置がずれても、第２の信号導体２０よりも第１の信号導体１０の方が、線路幅が広く線路長は長いため、共振器の特性は第１の金属板１における第１の信号導体１０の寸法でほぼ決定される。したがって、第１の金属板１と第２の金属板２の位置がずれて接合されても共振周波数は変化しないため、実施の形態１に係る共振器は製造誤差による周波数変動が小さい。

また、実施の形態１に係る共振器では、第１の金属板１の上面に第２の金属板２を配置し、第１の金属板１の下面に金属筐体３を配置している。信号導体に流れる電流のリターン電流は主に金属筐体３に流れることから、実施の形態１に係る共振器の電気特性は、第２の信号導体２０の寸法ではなく、金属筐体３に近い第１の信号導体１０の寸法でほぼ決定される。したがって、実施の形態１の構造とすることで、第２の金属板２のエッチング寸法誤差の影響が低減される。

以上のことから、実施の形態１に係る共振器は、エッチング誤差や金属板の位置ずれによる周波数変動を小さくしつつ、機械的な振動が加わっても信号導体の破断や時間的な特性変化が小さい。

なお、実施の形態１では、第１の信号導体１０、及び第２の信号導体２０は直線であったが、これに限るものではなく、図６のように、少なくとも第１の信号導体１０を曲げても良い。図６のように第１の信号導体１０および第２の信号導体２０を曲げることで、共振周波数はそのままに、第２の地導体２２と第５の地導体２５の距離を短くでき、共振器の小型化が可能となる。

なお、実施の形態１では、金属筐体３を１つ用いたが、これに限るものではなく、図７のように、第１の金属板１、第２の金属板２を覆うように、上下両側に金属筐体３を２つ用いても良い。図７のように金属板１、２を覆うように金属筐体３を２つ用いることで、共振器周辺への電磁界の漏れを小さくでき、周辺回路との干渉量を小さくすることができる。

なお、実施の形態１では、第２の金属板２を１枚用いたが、これに限るものではなく、図８から図１１に示すように、第２の金属板２を複数枚用いても良い。図９は図８におけるＢ−Ｂ‘断面を表す。図１１は図１０におけるＦ−Ｆ‘断面を表す。図８から図１１のように第２の金属板２を複数枚用いることで、機械的強度がより向上し、エッチング誤差や金属板１、２の位置ずれによる周波数変動を小さくしつつ、機械的な振動が加わっても、信号導体の破断や時間的な特性変化が、第２の金属板２を１つ用いた場合よりも、より小さくすることができる。

なお、実施の形態１では、第１の金属板１と第２の金属板２は拡散接合により接続されているが、これに限るものではなく、はんだや導電性接着剤などにより、機械的に固定され、また電気的に接続されていれば、異なる方法で接合されても良い。

なお、第１の金属板１と第２の金属板２をエッチング加工により製作する場合、金属板１、２の両側からエッチング液をかけることでエッチングする両面エッチング加工を用いた場合のエッチング寸法誤差は金属板１、２の厚みのおよそ±１０％となり、金属板の片側からエッチング液をかける片面エッチング加工を用いた場合のエッチング誤差は、金属板１、２の厚みのおよそ±１００％となる。また、エッチング誤差が生じると第１の信号導体１０の長さが変化し、変化した長さの割合程度に、共振周波数も変化する。以上のことから、エッチング誤差による信号導体の寸法誤差が、許容される周波数変動の範囲以内になるように、第１の金属板１の厚みを決定することで、共振周波数の調整が不要な共振器を実現することができる。

また、エッチング誤差による信号導体１０の寸法誤差が、許容される周波数変動の範囲以内になるように第１の金属板１の厚みを決定した場合、第１の金属板１の厚みが薄くなり、第２の金属板２の厚みを第１の金属板１の厚みと同程度とすると、機械的強度が十分でないため、機械的な振動が加わった場合、機械的な共振等を生じ、第１の信号導体１０の破断が起きたり、電気特性の時間的な変化が大きくなる場合がある。

この場合、図２のＡ−Ａ‘断面を表す図１２に示すように、第２の金属板２の厚みを第１の金属板１よりも厚くしても良い。電気特性はほぼ第１の金属板１の特に第１の信号導体１０の寸法で決定されるため、第２の金属板２の厚みを第１の金属板１よりも厚くし、第１の信号導体１０よりも第２の信号導体２０を厚くすることで、共振周波数の調整を不要としつつ、必要な機械的強度も確保された共振器を実現することができる。

また、第２の信号導体２０を複数枚用いて必要な機械的強度を確保する構成と比べ、部品点数を削減できることから、同等性能のフィルタを低コストで製造することが可能となる。

実施の形態２．
図１３は、この発明の実施の形態２に係るフィルタの金属板１、２の上面図である。また、図１３におけるＣ−Ｃ‘における断面図を図１４に示す。

図１３において、このフィルタの第１の金属板１は、第１の信号導体１０と、第１の地導体１１と、第３の地導体１３、第４の地導体１４とを備え、第１の信号導体１０は、第１の地導体１１から延伸し、第１の地導体１１に接続される。第１の地導体１１は、第３の地導体１３と第４の地導体１４を介して接続される。

図１３において、このフィルタの第２の金属板２は、第２の信号導体２０と、第２の地導体２２と、第５の地導体２５と、第６の地導体２６とを備え、第２の信号導体２０は、第２の地導体２２に接続され、第２の地導体２２は、第５の地導体２５と第６の地導体２６を介して接続される。

実施の形態２に係るフィルタは、第１の金属板１と第２の金属板２と金属筐体３（図１と同様であるが、図１３には図示せず）からなり、第１の金属板１と第２の金属板２は拡散接合により、電気的および機械的に接合されている。また、第２の金属板２の第２の信号導体２０の端部は第１の金属板１の第１の信号導体１０の端部よりも内側となるように寸法が決定されている。

また、実施の形態２では、第１の信号導体１０と第２の信号導体２０からなる共振器の周辺に入出力手段である２つの入出力線路３０が配置され、第１の地導体１１と第３の地導体１３は金属筐体３に接続される。

実施の形態２では、第１の信号導体１０と第２の信号導体２０が、それぞれ２つずつ設置されている。それぞれの第１の信号導体１０の長さは共振周波数の約１／４波長である。第１の信号導体１０の先端は開放され、もう一方の先端は第１の地導体１１に接続される。長さが約１／４波長であることから、共振する周波数で第１の信号導体１０が励振されると、この周波数を所定の動作周波数として、それぞれが共振器として動作する。

図１３において、一方の入出力線路３０から入力された信号は、片方の第１の信号導体１０が電気的に共振する周波数付近の成分のみ共振器に結合し、そして、共振する周波数付近の成分のみ隣の共振器に結合し、最後に他方の第１の信号導体１０が電気的に共振する周波数付近の成分のみもう一方の入出力線路３０に結合して出力される。つまり、実施の形態２のフィルタである回路は２段の帯域通過フィルタとして動作する。

なお、実施の形態２では、第１の信号導体１０、第２の信号導体２０、第１の地導体１１、第２の地導体２２により構成される共振器を２つ用いた場合について説明したが、これに限るものではなく、第１の信号導体１０、第２の信号導体２０、第１の地導体１１、第２の地導体２２により構成される共振器を３つ以上用いても良い。共振器を３つ以上用いることで、共振器を２つ用いる場合よりも、急峻な通過特性（周波数特性）などが実現できる。

なお、実施の形態２では、第１の信号導体１０は直線であったが、これに限るものではなく、図１５のように曲げても良い。第１の信号導体１０を曲げることで、第１の地導体１１と第３の地導体１３の距離を近づけることができ、通過帯域を変更することなく、フィルタの幅を狭くすることができる。

なお、実施の形態２では、金属筐体３を１つ用いたが、これに限るものではなく、図１３のＣ−Ｃ‘断面が、図１６に示すように、金属板１、２を覆うように金属筐体３を２つ用いても良い。図１６のように金属板１、２を覆うように金属筐体３を２つ用いることで、フィルタ周辺への電磁界の漏れを小さくでき、周辺回路との干渉量を小さくすることができる。

実施の形態３．
図１７は、この発明の実施の形態３に係るフィルタバンクの回路図である。

図１７における３１は通過帯域が異なるフィルタ、３２はスイッチ、３３はフィルタバンクの入出力端である。図１８は、実施の形態３に係るフィルタバンクに用いるフィルタ３１の上面図である。図１８におけるＤ−Ｄ’の断面図を図１９に示す。

図１８において、実施の形態２のフィルタにおける第１の信号導体１０の長さや、信号導体間隔等を変えて通過帯域を変えた複数個のフィルタ３１を、隣接するフィルタの第１の地導体１１と第３の地導体１３、及び隣接するフィルタの第２の地導体２２と第５の地導体２５が接続されるように配置した構成である。

実施の形態３の各フィルタ３１は、実施の形態２と同様に特定の帯域のみ通過する、帯域通過フィルタとして動作する。一方の入出力端３３から入力された信号は、スイッチ３２を介して、あるひとつのフィルタ３１に入力される。そして、入力されたフィルタの通過帯域の信号のみがもう一方のスイッチ３２を介して入出力端３３から出力される。以上のことから、実施の形態３における回路は、スイッチ３２を切り替えることで、周波数帯が異なる複数の信号の中から、ある特定の周波数帯の信号のみを選択できるフィルタバンクとして動作する。

図１８のように複数のフィルタ３１を一体化して構成することで、各フィルタ３１のそれぞれの地導体が切れ目無く接続されることから、２枚の金属板１、２をエッチング加工し拡散接合した金属板１、２、金属筐体３、及びネジ４を用いて一度に複数のフィルタ３１を製造でき、製造が容易で低コストなフィルタバンクを実現することができる。

なお、実施の形態３のフィルタ３１は、金属筐体３を１つ用いたが、これに限るものではなく、図１８におけるＤ−Ｄ’断面が図２０となるように、金属板１、２を覆うように金属筐体３を２つ用いても良い。図２０のように金属板１、２を覆うように金属筐体３を２つ用いることで、隣接するフィルタ３１、及びフィルタバンク周辺への電磁界の漏れを小さくでき、フィルタ３１間、及びフィルタバンクと周辺回路との干渉量を小さくすることができる。

なお、実施の形態３でのフィルタバンクは通過帯域が異なる３つのフィルタ３１を用いたが、これに限らず、通過帯域が異なるフィルタ３１を２つ、または４つ以上用いても良い。用途によってはフィルタ３１の通過帯域は同じものがあっても良い。フィルタ３１を２つとすることで、フィルタバンクの小型化が実現できる。また、フィルタを４以上とすることで、より多くの周波数帯が異なる信号を分離することなどができる。

１ 第１の金属板、２ 第２の金属板、３ 金属筐体、４ ネジ、１０ 第１の信号導体、１１ 第１の地導体、１３ 第３の地導体、１４ 第４の地導体、２０ 第２の信号導体、２２ 第２の地導体、２５ 第５の地導体、２６ 第６の地導体、３０ 入出力線路、３１ フィルタ、３２ スイッチ、３３ 入出力端

Claims (7)

1. 金属筐体と、
   平板状であり、前記金属筐体に固定される第１の地導体、前記第１の地導体から延伸し長さが所定の動作周波数における１／４波長の奇数倍である第１の信号導体、を有する第１の金属板と、
   平板状であり、前記第１の地導体に接合される第２の地導体、前記第１の信号導体に接合される部分の縁部が接合面の垂直方向から見て前記第１の信号導体の縁部よりも内側となるように前記第１の信号導体に接合される第２の信号導体、を有する第２の金属板と、
   を備え、
   接合された前記第１の信号導体と前記第２の信号導体が中空線路を構成することを特徴とする共振器。
2. 前記第１の金属板は、前記金属筐体に固定される第３の地導体、前記第１の地導体と前記第３の地導体とを接続し前記第１の信号導体に隣接して配置される第４の地導体、をさらに有し、
   前記第２の金属板は、前記第３の地導体に接合される第５の地導体、前記第４の地導体に接合される第６の地導体、をさらに有することを特徴とする請求項１に記載の共振器。
3. 前記第２の金属板が接合された２つ以上の金属板からなることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の共振器。
4. 前記第２の金属板が前記第１の金属板の両面に接合されていることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載の共振器。
5. 前記第２の金属板が前記第１の金属板よりも厚いことを特徴とする請求項１から請求項４のいずれかに記載の共振器。
6. 請求項１から請求項５のいずれかに記載の共振器を１つ以上有し、前記１つ以上の共振器のいずれかに電気的に結合する入出力手段を備えたことを特徴とするフィルタ。
7. 請求項６に記載のフィルタを複数有し、それぞれの前記フィルタにおける前記第１の金属板を、同一平面内で接続して一体としたことを特徴とするフィルタバンク。

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