JP6294688B2

JP6294688B2 - フィルタ装置および周波数変換装置

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Publication number: JP6294688B2
Application number: JP2014020838A
Authority: JP
Inventors: 鳥光　悟; 悟鳥光; 山口　文枝; 文枝山口; 昭大森; 史彦石田
Original assignee: THE FURUKAW ELECTRIC CO., LTD.
Current assignee: THE FURUKAW ELECTRIC CO., LTD.
Priority date: 2014-02-05
Filing date: 2014-02-05
Publication date: 2018-03-14
Anticipated expiration: 2034-02-05
Also published as: JP2015149573A

Description

本発明は、フィルタ装置および周波数変換装置に関するものである。

特許文献１には、トラップ回路を用いたフィルタ装置を高性能化する技術が開示されている。この技術は、ＨＰＦ（High Pass Filter）、ＬＰＦ（Low Pass Filter）、ＢＰＦ（Band Pass Filter）などに共振器を接続し、フィルタの伝送特性に強制的に伝送ゼロ点を構成することで特定の帯域で急峻な減衰極を持たせて、高性能化することを特徴としている。

特許文献２には、共振器を縦列接続したＢＰＦにおいて、共振器間の飛び越し結合により、帯域外の減衰特性を向上させる技術が開示されている。

特開平８−２７４５０４号公報特開２０１１−７１７９４号公報

ところで、特許文献１に開示された技術では、伝送特性に複数の減衰極を構成しようとした場合、減衰極の数だけ共振器が必要になるため、フィルタ装置が大型化したり、共振器の数が増えることにより通過帯域の損失が増えたりするという問題点がある。

また、特許文献２に開示された技術は、複数の共振器間の飛び越し結合により、帯域外の減衰特性を向上させる技術であり、任意の複数の伝送ゼロ点を構成する技術については開示されていない。さらに一つの共振器を用いながら他モード共振を発生させる技術が知られているが、共振周波数の制御が難しいという課題がある。

本発明は、以上の点に鑑みてなされたものであり、通過帯域の損失を増やすことなく複数の減衰極を構成するとともに、装置の小型化を図ることが可能なフィルタ装置および周波数変換装置を提供することを目的としている。

上記課題を解決するために、本発明は、入力部および出力部を有する第１線路と、前記第１線路とグランドとの間に接続され、共振周波数がｆ１である共振器と、前記第１線路に並列に接続される第２線路と、を有し、前記第１線路および前記第２線路は、前記共振器の共振周波数ｆ１と異なる共振周波数ｆ２で共振する複合伝送線路を構成し、前記第２線路を複数有し、それぞれの第２線路は、所定の周波数において、前記第１線路から出力される信号との位相差が略１８０度であり、振幅が略等しくなるようにそれぞれの第２線路の伝送係数が設定されている、ことを特徴とする。
このような構成によれば、通過帯域の損失を増やすことなく、簡便に複数の減衰極を構成できるとともに、装置の小型化を図ることが可能となる。

また、本発明は、入力部および出力部を有する第１線路と、前記第１線路とグランドとの間に接続され、共振周波数がｆ１である共振器と、前記第１線路に並列に接続される第２線路と、を有し、前記共振器の共振周波数ｆ１とは異なる周波数ｆ２において、前記第１線路および前記第２線路から出力される信号の位相差が略１８０度であり、振幅が略等しくなるように前記第１および第２線路の伝送係数が設定されている、ことを特徴とする。
このような構成によれば、通過帯域の損失を増やすことなく、簡便に複数の減衰極を構成できるとともに、装置の小型化を図ることが可能となる。

また、本発明は、前記共振器は、接地された導電性の筐体内に収容され、一端を開放端とし、他端を給電ピンと電気的に接続するヘリカル状コイルと、前記ヘリカル状コイルとの距離を調整可能な態様にて保持され、前記ヘリカル状コイルの前記開放端との距離を調整することで共振周波数を設定可能な調整部材を有することを特徴とする。
このような構成によれば、共振周波数を簡単に調整することができる。

また、本発明は、ローカル信号を用いて周波数変換を行う周波数変換部を少なくとも１つ有し、前記周波数変換部のいずれかの後段に、前記ローカル信号と前記ローカル信号の高調波信号を減衰させるための前記請求項１乃至３のいずれか１項に記載のフィルタ装置を帯域減衰フィルタとして備えることを特徴とする。
このような構成によれば、周波数変換装置の通過帯域の損失を増やすことなく複数の減衰極を構成するとともに、装置の小型化を図ることが可能となる。

本発明によれば、通過帯域の損失を増やすことなく複数の減衰極を構成するとともに、装置の小型化を図ることが可能なフィルタ装置および周波数変換装置を提供することが可能となる。

本発明の第１実施形態に係るフィルタ装置の構成例を示す図である。図１に示す第１実施形態の基本となるハイパスフィルタの構成を示す図である。図２に示すハイパスフィルタの通過特性を示す図である。図２に示すハイパスフィルタに共振器を追加した構成を示す図である。図４に示す回路の通過特性を示す図である。図１に示す第１線路および第２線路の構成を示す図である。図１に示すハイパスフィルタの通過特性を示す図である。本発明の第２実施形態に係るフィルタ装置の構成例を示す図である。図８に示す共振器の詳細な構成を示す斜視図である。図８に示す共振器の内部構造を示す斜視図である。図８に示す共振器の内部構造を示す模式図である。図８に示す第２実施形態の基本となるハイパスフィルタの構成を示す図である。図８に示す第２実施形態の通過特性を示す図である。第２線路を複数設けた場合の実施形態を示す図である。図１４に示す回路を有するハイパスフィルタの通過特性を示す図である。

次に、本発明の実施形態について説明する。

（Ａ）第１実施形態の構成の説明
図１は、本発明の第１実施形態に係るフィルタ装置の構成例を示すブロック図である。この図１に示すように、第１実施形態に係るフィルタ装置１０は、入力端子１１、コイル１２，１３、コンデンサ１４、出力端子１５、位相調整素子３１，３２、コンデンサ３３，３４、共振器３５、位相調整素子４１，４２、コンデンサ４３，４４、および、共振器４５を主要な構成要素としている。

ここで、入力端子１１には、例えば、マイクロ波帯域の信号が入力される。コイル１２，１３、および、コンデンサ１４はハイパスフィルタを構成し、所定の周波数以上の信号を通過させ、それ以外は減衰する。共振器３５は、直列共振器によって構成され、所定の周波数（例えば、９００ＭＨｚ）で共振して、減衰極を形成する。共振器４５も同様に、直列共振器によって構成され、所定の周波数（例えば、１．６ＧＨｚ）で共振して、減衰極を形成する。コンデンサ３３および位相調整素子３１，３２は、所定の周波数（例えば、５ＧＨｚ）の信号を選択的に減衰する特性を有し、ハイパスフィルタの通過帯域内に減衰極を形成する。コンデンサ４３および位相調整素子４１，４２も同様に、所定の周波数（例えば、５ＧＨｚ）の信号を選択的に減衰する特性を有し、ハイパスフィルタの通過帯域内に減衰極を形成する。

（Ｂ）第１実施形態の動作の説明
つぎに、図１に示す第１実施形態の動作について説明する。図２は、図１に示す第１実施形態の基本構成であるハイパスフィルタを示している。図１と比較すると、図２ではコンデンサ３３，４３、位相調整素子３１，３２、共振器３５、コンデンサ４３，４４、位相調整素子４１，４２、および、共振器４５が除外されている。

図３は、図２に示すハイパスフィルタの通過特性を示す図である。なお、図３において横軸は周波数（ＧＨｚ）を示し、縦軸は利得（ｄＢ）を示す。この図３に示すように、図２に示すフィルタ装置１０Ａは、カットオフ周波数が約２ＧＨｚのハイパスフィルタの特性を有している。また、２ＧＨｚ以上の通過帯域は平坦な特性を有している。

図４は、図２に示すハイパスフィルタの入力端子１１の後段であって、コイル１２の前段に直列接続した共振器３５およびコンデンサ３４を設けるとともに、出力端子１５の前段であって、コイル１３の後段に直列接続した共振器４５およびコンデンサ４４を設けた例を示している。なお、共振器３５は、例えば、９００ＭＨｚを共振周波数とし、また、共振器４５は、例えば、１．６ＧＨｚを共振周波数とする。なお、共振器３５，４５は、例えば、ストラップライン共振器または誘電体共振器によって構成される。

図５は、図４に示す回路の通過特性を示す図である。この図において、破線は図２に示す回路の通過特性を示し、実線は図４に示す回路の通過特性を示している。この図５の実線に示すように、図４に示す回路では、共振器３５によって９００ＭＨｚに減衰極が生じ、また、共振器４５によって１．６ＧＨｚに減衰極が生じている。

図１に示す本発明の第１実施形態では、図４に示す回路に対して、図６（Ａ）に示す回路を入力端子１１の後段に付加するとともに、図６（Ｂ）の回路を出力端子１５の前段に設けている。なお、図６（Ａ）と図６（Ｂ）の回路は同様の構成であるので、以下では図６（Ａ）に示す回路を例に挙げて説明する。図６（Ａ）に示す回路では、入力端子１１とコイル１２との間に並列接続された第１線路３１２および第２線路３３０が挿入されている。ここで、第１線路３１２は、位相調整素子３１と位相調整素子３２が直列接続され、これらの接続点にコンデンサ３４の一方の端子が接続されている。なお、直列接続されるコンデンサ３４と共振器３５は、周波数ｆ１に対するトラップ回路を構成する。第２線路３３０は、第１線路３１２に並列接続されるコンデンサ３３によって構成される。ここで、第１線路３１２と第２線路３３０は、周波数ｆ２の信号が入力端子１１から入力された場合に、出力される信号の位相差が略１８０度であり、振幅が略等しくなるように素子値（伝送係数）が設定されている。このため、周波数ｆ２の信号が入力端子１１から入力されると、出力信号は振幅が同じで位相差が１８０度であることから互いに相殺されて減衰される。なお、図６（Ｂ）の回路も同様の構成とされる。すなわち、第１線路４１２と第２線路４３０は、周波数ｆ２の信号が入力された場合に、出力される信号の位相差が略１８０度であり、振幅が略同じとなるように素子値（伝送係数）が設定されている。このため、共振器４５の共振周波数とは異なる周波数ｆ２の信号が入力されると、出力信号は振幅が同じで位相差が１８０度であることから互いに相殺されて減衰される。

図７は、図１に示す第１実施形態の通過特性を説明するための図である。なお、この図の例では、共振器３５の共振周波数は、例えば、９００ＭＨｚに設定され、共振器４５の共振周波数は、例えば、１．６ＧＨｚに設定されている。また、第１線路３１２および第２線路３３０に係る周波数ｆ２としては、５ＧＨｚが選択され、第１線路３１２のインピーダンスは５０Ωに設定され、また、第１線路３１２の線路長は１ＧＨｚにおいて略６度になるように設定される。また、第２線路３３０のコンデンサ３３としては、１．４ｐＦの素子値のものが使用される。同様に、第１線路４１２および第２線路４３０に係る周波数ｆ２としては、５ＧＨｚが選択され、第１線路４１２のインピーダンスは５０Ωに設定され、また、第１線路４１２の線路長は１ＧＨｚにおいて略６度になるように設定される。また、第２線路４３０のコンデンサ４３としては、１．４ｐＦの素子値のものが使用される。このため、図７に示す特性では、破線で示す図５の回路の特性に比較すると、図６（Ａ），（Ｂ）の回路の作用により、５ＧＨｚに新たな減衰極が実線で示す特性には付加されている。これにより、例えば、１．６ＧＨｚをローカル信号に用いた周波数変換装置に、図１に示すフィルタ装置１０を用いることで、１．６ＧＨｚの３次の高調波となる４．８ＧＨｚ付近の信号を効率良く減衰することができる。

以上に説明したように、本発明の第１実施形態によれば、第１線路３１２，４１２および第２線路３３０，４３０を用いることにより、減衰極を付加することが可能になる。ここで、第１線路３１２，４１２を構成する位相調整素子３１，３２，４１，４２は、例えば、コイルまたはストラップライン等によって構成され、また、第２線路３３０，４３０を構成するコンデンサ３３，４３は、チップコンデンサ等によって構成されるので、回路規模を大きくすることなく、減衰極を付加することができる。また、図５に示すように、減衰極を付加した場合でも通過帯域の損失は小さく抑えることができる。

（Ｃ）第２実施形態の構成の説明
つぎに、本発明の第２実施形態について説明する。図８は、本発明の第２実施形態に係るフィルタ装置の構成例を示す図である。この図８に示すように、本発明の第２実施形態のフィルタ装置１０Ｃは、入力端子１１、コイル１２，１３、コンデンサ１４，３３，３４，４３，４４，５４、位相調整素子３１，３２，４１，４２、および、共振器３６，４６，５６を有している。ここで、コンデンサ１４，３４，４４，５４は、整合用のコンデンサであり、例えば、数ｐＦ程度の容量を有するコンデンサによって構成される。共振器３６，４６，５６は、この例では、周波数ｆ１を共振周波数とする回路であり、後述するように導電性の筐体内にヘリカル状コイルが配置されて構成され、直列共振によって対象となる周波数帯域を選択的に減衰させる。共振器３６，４６，５６は、共振周波数よりも高周波側において誘導成分を有することから、コンデンサ１４，３４，４４，５４により、通過帯域である高周波側においてインピーダンスの整合を図る。

図９は、図１に示す共振器３６の構成例を示す斜視図である。なお、共振器３６，４６，５６は同様の構成を有しているので、以下では共振器３６を例に挙げて説明する。図９に示す例では、共振器３６は、非磁性であって、導電性を有する立方体形状の筐体３６０の上面３６１に、共振周波数を調整するための調整ねじ３６３が設けられている。調整ねじ３６３は、非磁性の導電性部材によって構成される。また、筐体３６０の下面には、共振器３６をプリント配線板に取り付けるための脚部３６４，３６５が設けられるとともに、後述するヘリカル状コイルの一端に接続された給電ピン３６６が設けられている。

図１０は、図９に示す共振器３６の内部の構成例を示す図である。この図１０に示すように、共振器３６の筐体３６０の内部には、ヘリカル状コイルモジュール３７０が配置されている。ここで、ヘリカル状コイルモジュール３７０は、例えば、樹脂等の絶縁体によって構成され、底面形状が略正方形である直方体形状を有する底部３７１と、底部３７１と一体的に構成されるとともに、底部３７１から突出した円柱形状を有するボビン部３７２を有している。このボビン部３７２には、線径はＱ値から求めた太さのＳｎ（錫）メッキ線であって、線長は共振周波数の１／４波長から求めた長さを有する、ヘリカル状コイル３７３が巻回されており、このヘリカル状コイル３７３の一端は、底部３７１に設けられた給電ピン３６６に接続され、他端は開放端とされている。

また、ボビン部３７２の上面には凹部が形成され、その凹部内に調整ねじ３６３の一端が挿入される。調整ねじ３６３の端面には調整ねじ３６３を回転する際にドライバが挿入される溝３６３ａが形成されている。また、調整ねじ３６３の側面には雄ねじが形成され、筐体３６０の上面３６１には、調整ねじ３６３が挿入される穴３６１ａが形成され、この穴３６１ａの側面には雌ねじが形成されている。雌ねじに雄ねじを嵌合させるように穴３６１ａに調整ねじ３６３を挿入することで、これらを電気的に接続するとともに、ボビン部３７２の上面の凹部内への挿入深さを調整可能とする。

図１１は、ヘリカル状コイル３７３と調整ねじ３６３との位置関係を模式的に示す図である。この図に示すように、ヘリカル状コイル３７３の開放端と調整ねじ３６３は、距離Ｄを隔てて配置されている。このため、これらの間にはキャパシタ成分が形成される。調整ねじ３６３を回転することで、これらの距離が調整されるため、キャパシタ成分の容量値が増減されることになる。ここで、調整ねじ３６３の一部の側面は筐体３６０に電気的に接続され、また、筐体３６０の脚部３６４，３６５はプリント配線板のグランドパターンに接地されている。このため、給電ピン３６６とグランドとの間には、ヘリカル状コイル３７３とキャパシタ成分による直列共振回路が形成され、この直列共振回路の共振周波数は、調整ねじ３６３を回転することで調整可能とされる。なお、共振器３６の共振周波数については、例えば、ヘリカル状コイル３７３の長さを調整することで設定可能である。また、共振器３６のＱ値については、例えば、ヘリカル状コイル３７３の線径を調整することで設定可能である。

（Ｄ）第２実施形態の動作の説明
つぎに、第２実施形態の動作について説明する。図１２は、図８に示す第２実施形態の基本となるハイパスフィルタの構成例を示す図である。この図１２の例では、図８の第２実施形態と比較すると、コンデンサ３３，４３、位相調整素子３１，３２，４１，４２が省略されている。これ以外の構成は図８の場合と同様である。図１３は、図８および図１２に示す回路の通過特性を示す図である。この図１３において、破線は図１２に示す回路の通過特性を示し、実線は図８に示す回路の通過特性を示している。なお、図１２の回路では、共振器３６，４６，５６は、共振周波数が１．６ＧＨｚに設定されており、コンデンサ１４，３４，４４，５４は、２．４ｐＦに設定され、コイル１２，１３は１．５ｎＨに設定されている。コンデンサ３３，４３は、１．６ｐＦに設定されている。位相調整素子３１，３２は、例えば、周波数３．２ＧＨｚにおいて、第２線路３３０であるコンデンサ３３から出力される信号と比較して、位相差が略１８０度であり、振幅が略等しくなるように設定されている。また、位相調整素子４１，４２は、例えば、周波数３．３ＧＨｚにおいて、第２線路４３０であるコンデンサ４３から出力される信号と比較して、位相差が略１８０度であり、振幅が略等しくなるように設定されている。

図１３に破線に示すように、図１２に示す回路では、共振器３６，４６，５６によって生じる減衰極が１．６ＧＨｚ付近に生じるとともに、それ以上の周波数に対しては平坦な通過特性を有している。一方、図１３に実線で示すように、図８に示す回路では、共振器３６，４６，５６による１．６ＧＨｚ付近の減衰極は図１２に示す回路と同様であるが、３．２ＧＨｚと３．３ＧＨｚ付近に減衰極が現れている。３．２ＧＨｚの減衰極は、例えば、図８に示すコンデンサ３３および位相調整素子３１，３２によって形成され、３．３ＧＨｚの減衰極は、例えば、コンデンサ４３および位相調整素子４１，４２によって形成される。なお、３．２ＧＨｚの減衰極を、図８に示すコンデンサ４３および位相調整素子４１，４２によって形成し、３．３ＧＨｚの減衰極を、コンデンサ３３および位相調整素子３１，３２によって形成するようにしてもよい。

以上に説明したように、本発明の第２実施形態によれば、第１線路３１２，４１２および第２線路３３０，４３０を用いることにより、通過帯域に減衰極を付加することが可能になる。前述のように、第１線路３１２，４１２を構成する位相調整素子３１，３２，４１，４２は、例えば、コイルまたはストラップライン等によって構成され、また、第２線路３３０，４３０を構成するコンデンサ３３，４３は、チップコンデンサ等によって構成されるので、回路規模を大きくすることなく、減衰極を付加することができる。また、図１３に示すように、減衰極を付加した場合でも通過帯域の損失は小さく抑えることができる。さらに、第２実施形態では、図９に示すような共振器３６，４６，５６を用いることにより、共振周波数を簡単に調整することが可能になる。

（Ｅ）変形実施形態の説明
以上の各実施形態は一例であって、本発明が上述したような場合のみに限定されるものでないことはいうまでもない。例えば、以上の各実施形態では、第２線路が一つの場合を例に挙げて説明したが、第２線路を複数設けるようにしてもよい。図１４は、第２線路を２つ設けた場合の実施形態を示している。この例では、第２線路として、第２線路３３０以外に、第２線路３８０を有している。図１５は、図１に示す第１実施形態において、第２線路を２つ有する構成にした場合であって、第１線路３１２，４１２と第２線路３３０，４３０による減衰極の周波数を４．８ＧＨｚに設定し、第１線路３１２，４１２と第２線路３８０，４８０による減衰極の周波数を４．５ＧＨｚに設定したときの通過特性を示している。より詳細には、周波数が４．８ＧＨｚの信号が入力された場合に、第１線路３１２と第２線路３３０から出力される信号は位相差が略１８０度であり、振幅が略等しくなるように設定されている。また、周波数が４．５ＧＨｚの信号が入力された場合に、第１線路３１２と第２線路３８０から出力される信号は位相差が略１８０度であり、振幅が略等しくなるように設定されている。なお、第１線路４１２と第２線路４３０および第１線路４１２と第２線路４８０も同様の設定とされている。この図１５に実線で示すように、図１４の構成によれば、図７に示す４．８ＧＨｚの減衰極以外にも、第２線路３８０，４８０による４．５ＧＨｚの減衰極を付加することができる。なお、以上は第２線路が２つの場合であるが、もちろん、３つ以上付加するようにしてもよい。

また、以上の各実施形態では、位相調整素子３１，３２が素子の形態を有する図を用いて説明を行ったが、例えば、位相調整素子３１，３２を所定の線路長を有するストラップライン等によって構成することもできる。その場合、コンデンサ３４または共振器３６は、線路の中央以外に接続することができる。より詳細には、図６（Ａ）の例では、コンデンサ３４は、第１線路３１２の中央以外に接続することができる。つまり、位相調整素子３１，３２は、素子値が異なるように設定してもよい。

また、以上の第２実施形態では、共振器３６，４６，５６は、調整ねじによって共振周波数を調整するようにしたが、ヘリカル状コイル３７３との距離を変更できる手段であれば、調整ねじ以外の手段を用いるようにしてもよい。具体的には、例えば、ヘリカル状コイル３７３との距離を調整可能なスライダーを用いるようにしてもよい。

また、以上の各実施形態では、本発明の帯域減衰フィルタを周波数変換装置に適用する場合を例に挙げて説明したが、これ以外の装置に適用することも可能である。例えば、アンテナで受信した近接した周波数信号のうちの一方のみを減衰する用途に用いることも可能である。

また、以上の各実施形態では、ＨＰＦを例に実施例の説明を行ったが、ＬＰＦやＢＰＦへの適用も可能である。

１０，１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃフィルタ装置
１１入力端子
１２，１３コイル
１４，１７，１８，１９，３３，３４，４３，４４，５４コンデンサ
１５出力端子
３１，３２，４１，４２位相調整素子
３５，３６，４５，４６，５６共振器
３１２，４１２第１線路
３３０，４３０，３８０第２線路

Claims

入力部および出力部を有する第１線路と、
前記第１線路とグランドとの間に接続され、共振周波数がｆ１である共振器と、
前記第１線路に並列に接続される第２線路と、を有し、
前記第１線路および前記第２線路は、前記共振器の共振周波数ｆ１と異なる共振周波数ｆ２で共振する複合伝送線路を構成し、
前記第２線路を複数有し、それぞれの第２線路は、所定の周波数において、前記第１線路から出力される信号との位相差が略１８０度であり、振幅が略等しくなるようにそれぞれの第２線路の伝送係数が設定されている、
ことを特徴とするフィルタ装置。
入力部および出力部を有する第１線路と、
前記第１線路とグランドとの間に接続され、共振周波数がｆ１である共振器と、
前記第１線路に並列に接続される第２線路と、を有し、
前記共振器の共振周波数ｆ１とは異なる周波数ｆ２において、前記第１線路および前記第２線路から出力される信号の位相差が略１８０度であり、振幅が略等しくなるように前記第１および第２線路の伝送係数が設定されている、
ことを特徴とするフィルタ装置。
前記共振器は、接地された導電性の筐体内に収容され、一端を開放端とし、他端を給電ピンと電気的に接続するヘリカル状コイルと、前記ヘリカル状コイルとの距離を調整可能な態様にて保持され、前記ヘリカル状コイルの前記開放端との距離を調整することで共振周波数を設定可能な調整部材を有することを特徴とする請求項１または２に記載のフィルタ装置。
ローカル信号を用いて周波数変換を行う周波数変換部を少なくとも１つ有し、前記周波数変換部のいずれかの後段に、前記ローカル信号と前記ローカル信号の高調波信号を減衰させるための前記請求項１乃至３のいずれか１項に記載のフィルタ装置を帯域減衰フィルタとして備えることを特徴とする周波数変換装置。