JP6312910B1 - フィルタ - Google Patents

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Abstract

【課題】所望の特性を有するフィルタの設計を容易にすること。【解決手段】フィルタ(1)は、電磁気的に結合された複数の共振器(10〜50)を備えている。共振器(10〜50)の各々は、円形または6角形以上の正多角形の広壁(11,12,21,22,31,32,41,42,51,52)を有し、共振器(10〜50)のうち互いに結合されている2つの共振器の各々は、これら2つの共振器の広壁の外接円の半径をR1及びR2とし、これら2つの共振器の中心間距離をDとした場合に、D<R1+R2となるように配置されている。【選択図】図1

Description

本発明は、共振器結合型のフィルタに関する。
マイクロ波帯及びミリ波帯での使用を想定したバンドパスフィルタ(BPF,Bandpass Filter)が例えば特許文献1や非特許文献1などに記載されている。
これらのBPFは、ポスト壁導波路(PWW,Post-Wall Waveguide)の技術を利用して実現されている。具体的には、これらのBPFは、一対の導体層により挟み込まれた誘電体製の基板を用いて製造されている。基板の内部には、互いに結合した複数の共振器が形成されている。これらの複数の共振器は、一対の導体層を一対の広壁とし、柵状に配列された複数の導体ポストからなるポスト壁を狭壁とする。
複数の共振器のうち2つの隣接する共振器を隔てるポスト壁の一部には、数本の導体ポストを省略することによって、結合窓が設けられている。互いに隣接する2つの共振器は、この結合窓を介して電磁気的に結合している。入力ポートが形成されている最初段の共振器と、出力ポートが形成されている最終段の共振器との間には、このように電磁気的に結合した1又は複数の共振器が介在する。このように、これらのPWWを利用したBPFは、共振器結合型のBPFである。
特許文献1の図2に記載のBPFは、3つの共振器により構成された3段のフィルタである。このBPFにおいて、各共振器は、何れも5角形のホームベース型である。そのうえで、各共振器は、3回の回転対称性を有するように120°ずつ回転させた状態で配置されている。
また、非特許文献1の図5に記載のBPFは、3つまたは5つの共振器により構成された複数段(3段のあるいは5段)のフィルタである。これらのBPFにおいて、各共振器の形状は、いずれも長方形である。そのうえで、複数段の共振器の各々は、一直線状に配置されている。
特開2004−247843号公報(2004年9月2日公開)
Yusuke Uemichi, et. al, Compact and Low-Loss Bandpass Filter Realized in Silica-Based Post-Wall Waveguide for 60-GHz applications, IEEE MTT-S IMS, May 2015.
特許文献1や非特許文献1などに記載のBPFを設計するために、所望のフィルタ特性に応じてBPFを構成する共振器の数を定める。そのうえで、所望のフィルタ特性を得るために、各共振器の形状及び各共振器の配置に関する複数の設計パラメータを最適化する。これら複数の設計パラメータを最適化する作業を実施するためには、多くの経験及び多くの労力を要する。
本発明は、上述した課題に鑑みなされたものであり、その目的は、設計パラメータの数を減らすことによって、所望の特性を有するフィルタの設計を容易にすることである。
上記の課題を解決するために、本発明の一態様に係るフィルタは、電磁気的に結合された複数の共振器を備えたフィルタであって、前記複数の共振器の各々は、円形または6角形以上の正多角形の広壁を有し、前記複数の共振器のうち互いに結合されている2つの共振器の各々は、これら2つの共振器の広壁の外接円の半径をR及びRとし、これら2つの共振器の中心間距離をDとした場合に、D<R+Rとなるように配置されている、ことを特徴とする。
上記の構成によれば、複数の共振器のうち互いに結合されている2つの共振器に着目した場合に、当該2つの共振器の各々の外接円の形状は、2つの外接円の中心同士をつなぐ直線を対称軸として線対称である。したがって、特許文献1に記載のフィルタと比較して、本フィルタは、その形状に関する対称性が高いため、設計パラメータの数を少なくすることができる。
また、上記の構成によれば、複数の共振器の各々を構成する広壁の形状は、円形または6角形以上の正多角形である。したがって、非特許文献1に記載のフィルタと比較して、本フィルタは、その形状に関する対称性が高いため、設計パラメータの数を少なくすることができる。
したがって、本フィルタは、従来のフィルタと比較して、所望の特性を有するフィルタを容易に設計することができる。
本発明の一態様に係るフィルタにおいて、前記複数の共振器は、入力ポートが設けられた最初段の共振器と、出力ポートが設けられた最終段の共振器とが隣接するように配置されている、ことが好ましい。
上記の構成によれば、複数の共振器が直線状に配置されている場合と比較して、フィルタの全長を短くすることができる。
本発明の一態様に係るフィルタにおいて、前記複数の共振器は、入力ポートが設けられた最初段の共振器と、出力ポートが設けられた最終段の共振器とを含み、前記最初段の共振器のうち前記最終段の共振器と対向する側と逆側の領域に、当該最初段の共振器の中心と前記最終段の共振器の中心とを通る直線と交わる、前記入力ポートとして機能する結合窓が形成されており、前記最終段の共振器のうち前記最初段の共振器と対向する側と逆側の領域に、前記直線と交わる、前記出力ポートとして機能する結合窓が形成されている、ことが好ましい。
上記の構成によれば、入力ポート及び出力ポートの各々に対して、導波路あるいは導波管を容易に結合させることができる。そのうえで、入力ポート及び出力ポートが1つの直線と交わるように形成されているため、本フィルタは、例えばダイプレクサを構成する一対の方向性結合器の各々の間に介在するフィルタとして好適に利用することができる。
本発明の一態様に係るフィルタにおいて、前記複数の共振器は、入力ポートが設けられた最初段の共振器と、出力ポートが設けられた最終段の共振器とを含み、前記最初段の共振器及び前記最終段の共振器の各々には、それぞれ、入力変換部及び出力変換部が直接または導波路を介して結合されており、前記入力変換部及び前記出力変換部の各々は、前記最初段の共振器及び前記最終段の共振器の一方の広壁または前記導波路の一方の広壁とともにマイクロストリップ線路を構成する帯状導体と、当該帯状導体の一端部に導通し、且つ、前記一方の広壁に形成された開口を通して、前記最初段の共振器及び前記最終段の共振器または前記導波路の内部に形成された導体ピンとにより構成されていてもよい。
入力変換部および出力変換部の各々は、マイクロストリップ線路を伝搬するモードと、最初段の共振器および最終段の共振器内を伝搬するモードとを変換する。したがって、上記の構成によれば、入力ポート及び出力ポートの各々に対して、マイクロストリップ線路を容易に結合させることができる。
本発明の一態様に係るフィルタにおいて、前記複数の共振器は、奇数個の共振器により構成されていてもよい。
複数の共振器の各々は、上面視した場合の形状が円形または6角形以上の正多角形である。そのため、本フィルタは、複数の共振器の個数が奇数個である場合であっても、複数の共振器が線対称な形状となるように配置することができる。したがって、フィルタを設計する場合に用いる設計パラメータの数を少なくすることができるため、フィルタの設計が容易になる。
本発明の一態様に係るフィルタにおいて、前記複数の共振器の各々は、一対の広壁と、当該一対の広壁の間に介在する狭壁とにより構成されており、前記一対の広壁は、誘電体基板の両面に設けられた一対の導体層からなり、前記狭壁は、前記誘電体基板を貫通し、且つ、一対の広壁の各々を導通させる導体ポスト群からなる、ことが好ましい。
上記の構成によれば、ポスト壁導波路の技術を用いることによって作製することができる。ポスト壁導波路の技術を用いて本フィルタを作製することによって、金属製の導波管の技術を用いてフィルタを作製する場合と比較して、容易に作製することができ、軽量化を図ることもできる。
本発明の一態様に係るフィルタにおいて、前記複数の共振器のうち少なくとも1つの共振器は、当該共振器を構成する一対の広壁のうち何れか一方の広壁から当該共振器の内部に向かって突出した、導体製の突出部を更に含む、ことが好ましい。
上記の構成によれば、突出部を形成する位置と、突出部が一方の広壁から共振器の内部に突出した突出量とを調整することにより、当該共振器の共振周波数を変化させることができる。その結果として、本フィルタの共振周波数を変化させることができる。このことは、本フィルタの特性を調整するための設計パラメータとして、突出部を形成する位置及び突出部の突出量を利用できることを意味する。したがって、本フィルタは、複数の共振器の各々の形状を設計変更することなく、容易に特性を調整することができる。
なお、突出部の先端は、他方の広壁に達していてもよいし、共振器の内部に留まっており他方の広壁に達していなくてもよい。
本発明の一態様に係るフィルタは、所望の特性を有するフィルタの設計を容易にすることができる。
(a)は、本発明の第1の実施形態に係るフィルタの斜視図である。(b)は、(a)に示したフィルタの平面図である。 (a)〜(d)は、それぞれ、本発明の第1〜第4の変形例であるフィルタの平面図である。 (a)及び(b)は、それぞれ、本発明の第5及び第6の変形例であるフィルタの平面図である。 図1に示したフィルタをポスト壁導波路の技術を用いて構成した場合の構成例の斜視透視図である。 (a)及び(b)は、それぞれ、図4に示したフィルタの入力ポートに接続された導波路の端部に設置可能な変換部の平面図及び断面図である。 (a)は、本発明の第2の実施形態に係るフィルタの斜視図である。(b)は、(a)に示したフィルタの平面図である。 本発明の第7の変形例であるフィルタの斜視透視図である。 本発明の実施例であるフィルタ及び本発明の比較例であるフィルタの平面図である。 (a)は、図8に示した実施例及び比較例のフィルタにおける反射特性を示すグラフである。(b)は、図8に示した実施例及び比較例のフィルタにおける透過特性を示すグラフである。 (a)は、図8に示した実施例のフィルタの内部における電界分布を示す等高線図である。(b)は、図8に示した比較例のフィルタの内部における電界分布を示す等高線図である。 (a)及び(b)は、本発明の第8及び第9の変形例の平面図である。 (a)〜(c)は、本発明の第10〜第12の変形例の平面図である。 (a)〜(d)は、本発明の第13〜第16の変形例の平面図である。 図8に示した実施例及び本発明の第8〜第16の変形例における反射特性を示すグラフである。
〔第1の実施形態〕
本発明の第1の実施形態に係るフィルタについて、図1を参照して説明する。図1の(a)は、本実施形態に係るフィルタ1の斜視透視図である。図1の(b)は、フィルタ1の平面図である。なお、図1の(b)は、一方の広壁(z軸正方向側の広壁11,21,31,41,51,61,71)を省略した状態のフィルタ1を図示している。これは、結合窓AP12,AP23,AP34,AP45,AP,APの構成を分かりやすく図示するためである。
<共振器10〜50>
図1の(a)及び(b)に示すように、フィルタ1は、共振器10、共振器20、共振器30、共振器40、共振器50と、導波路60と、導波路70とを備えている。
共振器10は、互いに対向する一対の広壁である広壁11,12と、広壁11と広壁12との間に介在する狭壁13とにより構成されている。広壁11,12は、金属製の導体層により構成されている。広壁11,12の形状は、結合窓AP,AP12が設けられる部分を除くと何れも円形である。結合窓AP,AP12については、後述する。
狭壁13は、金属製の導体層により構成されている。狭壁13は、展開した状態において長方形の形状を有する。すなわち、狭壁13は、帯状導体である。共振器10は、このように帯状導体である狭壁13を広壁11,12の輪郭に沿って、筒状に巻き付けることにより形成される。狭壁13は、広壁11と広壁12とを導通させ、広壁11と広壁12とともに、結合窓AP,AP12を除いた領域が閉じた円筒形の空間を形成する。
結合窓AP及び結合窓AP12の各々は、広壁11,12の弦を切断線として、広壁11、広壁12、及び狭壁13の一部を、広壁11,12と交わる方向に(本実施形態においては垂直な方向に)切り落とすことによって形成される。結合窓APは、後述する導波路60と共振器10とを電磁気的に結合させ、結合窓AP12は、共振器10と後述する共振器20とを電磁気的に結合させる。
なお、この導体層の厚さは任意に定めることができる。すなわち、導体層は、その厚さを特に限定されるものではなく、導体薄膜や、導体箔や、導体板などの層状の導体全般を指す。
本実施形態では、広壁11,12及び狭壁13を構成する金属としてアルミニウムを採用している。なお、この金属は、アルミニウムに限定されるものではなく、銅であってもよいし、複数の金属元素により構成された合金であってもよい。また、図1に示したフィルタ1では、導体層を用いて狭壁13を構成しているが、図4に示すようにポスト壁を用いて狭壁13を構成することもできる。
共振器20〜50の各々は、それぞれ、共振器10と同様に構成されている。すなわち、共振器20は、一対の広壁である広壁21,22と、狭壁23とにより構成されており、共振器30は、一対の広壁である広壁31,32と、狭壁33とにより構成されており、共振器40は、一対の広壁である広壁41,42と、狭壁43とにより構成されており、共振器50は、一対の広壁である広壁51,52と、狭壁53とにより構成されている。広壁21,22は、結合窓AP12,AP23が設けられる部分を除くと何れも円形であり、広壁31,32は、結合窓AP23,AP34が設けられる部分を除くと何れも円形であり、広壁41,42は、結合窓AP34,AP45が設けられる部分を除くと何れも円形であり、広壁51,52は、結合窓AP45,APが設けられる部分を除くと何れも円形である。結合窓AP23は、共振器20と共振器30とを電磁気的に結合させ、結合窓AP34は、共振器30と共振器40とを電磁気的に結合させ、結合窓AP45は、共振器40と共振器50とを電磁気的に結合させ、結合窓APは、共振器50と後述する導波路70とを電磁気的に結合させる。
以上のように、フィルタ1は、5つの共振器10〜50が電磁気的に結合した、5段の共振器結合型のフィルタである。フィルタ1は、バンドパスフィルタとして機能する。
<導波路60〜70>
導波路60は、一対の広壁である広壁61,62と、一対の狭壁である狭壁63,64とにより構成された、断面が長方形な矩形導波路である。導波路60の共振器10側の端部には、共振器10の結合窓APと同じ形状の開口が形成されたショート壁65が設けられている。この開口と共振器10の結合窓APとが一致するように導波路60と共振器10とを接続することによって、導波路60と共振器10とは、電磁気的に結合する。
導波路70は、導波路60と同様に、一対の広壁である広壁71,72と、一対の狭壁である狭壁73,74とにより構成された矩形導波路である。導波路70のショート壁75に設けられた開口と共振器50の結合窓APとが一致するように導波路70と共振器50とを接続することによって、導波路70と共振器50とは、電磁気的に結合する。
フィルタ1において、結合窓AP,APは、何れも入出力ポートとして機能する。結合窓APを入力ポートとすれば、結合窓APが出力ポートとなり、結合窓APを入力ポートとすれば、結合窓APが出力ポートとなる。いずれの入出力ポートを入力ポートにするかは任意であるが、本実施形態では、結合窓APを入力ポートとし、結合窓APを出力ポートとして説明する。すなわち、共振器10が請求の範囲に記載の最初段の共振器であり、共振器50が請求の範囲に記載の最終段の共振器である。
<各共振器の中心間距離>
図1の(a)に示すように、広壁11の中心のことを中心C11と呼び、広壁12の中心のことを中心C12と呼ぶ。共振器10の中心Cは、中心C11と中心C12との中点に位置する。共振器20の中心C、共振器30の中心C、共振器40の中心C、及び共振器50の中心Cの各々は、共振器10の中心Cと同様に定められる。
図1の(b)に示すように、共振器10の半径をR、共振器20の半径をR、共振器30の半径をR、共振器40の半径をR、共振器50の半径をRとする。また、中心Cと中心Cとの中心間距離をD12とし、中心Cと中心Cとの中心間距離をD23とし、中心Cと中心Cとの中心間距離をD34とし、中心Cと中心Cとの中心間距離をD45とする。なお、各共振器10〜50の広壁11,12,21,22,31,32,41,42,51,52は、いずれも円形である。したがって、各広壁11,12,21,22,31,32,41,42,51,52の外接円の半径は、各共振器10〜50の半径R〜Rと一致する。
このとき、R,RとD12とは、D12<R+Rの条件を満たし、R,RとD23とは、D23<R+Rの条件を満たし、R,RとD34とは、D34<R+Rの条件を満たし、R,RとD45とは、D45<R+Rの条件を満たす。これらの条件を満たすことによって、円筒形の2つの共振器(例えば共振器10と共振器20と)を、各共振器の側面に設けた結合窓(例えば結合窓AP12)を介して結合させることができる。
<隣接する2つの共振器の対称性>
フィルタ1において、複数の共振器のうち互いに結合されている2つの共振器に着目する。ここでは、共振器20と共振器30とを用いて説明する。2つの共振器20,30の各々の広壁21,22,31,32の形状(共振器20,30の外接円の形状と同じ)は、2つの外接円の中心C,C同士をつなぐ直線BB’を対称軸として線対称である(図1の(b)参照)。したがって、従来のフィルタ(特許文献1の図1,図2に記載のフィルタ)と比較して、フィルタ1は、互いに結合されている2つの共振器における対称性が高いため、設計パラメータの数を少なくすることができる。したがって、フィルタ1は、従来のフィルタと比較して、所望の特性を有するフィルタを容易に設計することができる。
なお、フィルタ1においては、互いに結合されている2つの共振器が線対称となるように構成されていることに加えて、フィルタ1全体も線対称となるように構成されている。具体的には、共振器10〜50は、x軸に沿い且つ共振器30の中心Cを通る直線を対称軸として線対称となるように配置されており、且つ、導波路60〜70は、上記直線を対称軸として線対称となるように配置されている。したがって、フィルタ1は、全体の形状に関する対称性も高いため、設計パラメータの数を更に少なくすることができる。したがって、本フィルタは、従来のフィルタと比較して、所望の特性を有するフィルタを更に容易に設計することができる。
<共振器10,50の配置>
フィルタ1において、共振器10と共振器50とは、互いに隣接するように配置されている(図1の(a),(b)参照)。したがって、複数の共振器が直線状に配置されている場合と比較して、フィルタの全長を短くすることができる。フィルタの全長を短くすることによって、フィルタ1を取り巻く環境温度が変化した場合に生じる熱膨張又は熱収縮の絶対値を抑制することができる。したがって、全長が従来より短いフィルタ1は、環境温度の変化に起因する、通過帯域の中心周波数や帯域幅などの変化を抑制することができる。言い換えれば、フィルタ1は、環境温度に対する特性の安定性が高い。
<結合窓AP,APの配置>
図1の(b)に示すように、入力ポートである結合窓APは、共振器10のうち共振器50と対向する側(y軸正方向側)と逆側(y軸負方向側)の領域であって、直線AA’と交わる領域に形成されている。直線AA’は、共振器10の中心Cと、共振器50の中心Cとを通る直線である。
同様に、出力ポートである結合窓APは、共振器50のうち共振器10と対向する側(y軸負方向側)と逆側(y軸正方向側)の領域であって、直線AA’と交わる領域に形成されている。
フィルタ1が結合窓AP,APを備えていることによって、入力ポート及び出力ポートの各々に対して、導波路60,70の各々を容易に結合させることができる。そのうえで、入力ポート及び出力ポートが1つの直線(直線AA’)と交わるように形成されている。そのため、フィルタ1は、導波路60の中心軸である直線CC’と、導波路70の中心軸である直線DD’とを一致させることができる。その結果として、2つのフィルタ1を並走させた状態で配置することができるので、フィルタ1は、例えばダイプレクサを構成する一対の方向性結合器の各々の間に介在するフィルタとして好適に利用することができる。
なお、直線AA’と直線CC’とのズレであるオフセットΔoffIを調整する(最適化する)ことによって、導波路60と共振器10との接続部、すなわち結合窓APにおける反射損失を抑制することができる。同様に、直線AA’と直線DD’とのズレであるオフセットΔoffOを調整する(最適化する)ことによって、導波路70と共振器50との接続部、すなわち結合窓APにおける反射損失を抑制することができる。フィルタ1は、中心Cを通り、x軸と平行な直線を対称軸として線対称な形状を有することが好ましい。したがって、オフセットΔoffIと、オフセットΔoffOとは、互いに一致していることが好ましい。
また、導波路60の幅W及び導波路70の幅Wを設計変更した場合に、結合窓AP及び結合窓APにおける反射損失が増大することが考えられる。フィルタ1においては、幅W及び幅Wと独立して共振器10〜50の設計パラメータを定めることができ、且つ、オフセットΔoffを調整することによって反射損失を抑制することができる。したがって、フィルタ1は、結合窓AP及び結合窓APにおける反射損失の増大を抑制しつつ、各導波路60,70の幅を容易に変更可能なフィルタである。
(第1〜第4の変形例)
図2の(a)〜(d)を参照して、フィルタ1の第1〜第4の変形例であるフィルタ1a〜1dについて説明する。図2の(a)〜(d)は、それぞれ、フィルタ1a〜1dの平面図である。なお、図2の(a)〜(d)の各図において、一方の広壁を省略した状態のフィルタ1a〜1dを図示している。
フィルタ1aは、6つの共振器である共振器10a,20a,30a,40a,50a,60aを備えている。フィルタ1bは、7つの共振器である共振器10b,20b,30b,40b,50b,60b,70bを備えている。フィルタ1cは、8つの共振器である共振器10c,20c,30c,40c,50c,60c,70c,80cを備えている。フィルタ1dは、11個の共振器である共振器10d,20d,30d,40d,50d,60d,70d,80d,90d,100d,110dを備えている。
以上のように、本発明の一態様に係るフィルタにおいて、フィルタを構成する共振器の個数は、限定されるものではない。フィルタを構成する共振器の個数、換言すればフィルタの段数は、所望のフィルタ特性(通過帯域の中心周波数や、帯域幅や、通過帯域の下限周波数及び上限周波数の近傍におけるカットオフの鋭さなど)に応じて任意の数に設計することができ、その数は、奇数であっても偶数であってもよい。
(第5〜第6の変形例)
図3の(a)〜(b)を参照して、フィルタ1の第5〜第6の変形例であるフィルタ1e,1fについて説明する。図3の(a),(b)は、それぞれ、フィルタ1e,1fの平面図である。なお、図3の(a),(b)の各図において、一方の広壁を省略した状態のフィルタ1e,1fを図示している。
フィルタ1eは、6つの共振器である共振器10e,20e,30e,40e,50e,60eを備えている。フィルタ1eは、図1の(b)に示したフィルタ1が備えている円形の広壁11,12,21,22,31,32,41,42,51,52の代わりに、正6角形の広壁を備えている。図3の(a)においては一方の広壁を省略しているが、共振器10eは、正6角形の広壁12eを備えている。同様に、共振器20e〜60eの各々は、正6角形の広壁22e〜62eを備えている。
外接円CC1e〜CC6eの各々は、広壁12e〜62eの外接円である。このように、フィルタ1の変形例は、正多角形である広壁12e〜62eを採用していてもよい。広壁12e〜62eが正多角形である場合であっても、互いに結合されている2つの共振器の各々において、これら2つの共振器の広壁の外接円の半径をR及びRとし、これら2つの共振器の中心間距離をDとした場合に、D<R+Rとなるように配置されていれば、フィルタ1eは、図1に示したフィルタ1と同様の効果を奏する。
フィルタ1fは、4つの共振器である共振器10f,20f,30f,40fを備えている。共振器10fは、正8角形の広壁12fを備えている。同様に、共振器20f〜40fの各々は、正8角形の広壁22f〜42fを備えている。
なお、本発明の一態様に係るフィルタが備えている形状は、正6角形及び正8角形に限定されるものではなく、6角形以上の正多角形であればよい。
(構成例)
図1に示したフィルタ1の別の構成例について、図4及び図5を参照して説明する。図4は、フィルタ1をポスト壁導波路の技術を用いて構成した場合の構成例の斜視透視図である。なお、図4において、導体層2,4を仮想線(二点鎖線)にて図示している。これは、基板3の内部に形成された複数の導体ポストを見やすくするためである。図5の(a)及び(b)は、それぞれ、図4に示したフィルタ1の入力ポートに接続された導波路60の端部に設置可能な変換部80の平面図及び断面図である。
<ポスト壁導波路>
本構成例のフィルタ1は、ポスト壁導波路の技術を用いており、その両面に導体層2と導体層4とが形成された誘電体製の基板3を用いて構成されている。基板3は、請求の範囲に記載の誘電体基板に対応する。
一対の導体層である導体層2及び導体層4は、共振器10〜50及び導波路60〜70を構成する一対の広壁として機能する。また、基板3の内部には、基板3の一方の表面から他方の表面まで貫通する貫通孔が複数形成されており、その貫通孔の内壁には、導体層2と導体層4とを導通させるように、導体膜が形成されている。すなわち、貫通孔の内部には、導体層2と導体層4とを導通させる導体ポストが形成されている。
複数の導体ポストを所定の間隔で柵状に配列することによって得られるポスト壁(請求の範囲に記載の導体ポスト群)は、上記所定の間隔に応じた帯域の電磁波を反射する、一種の導体壁として機能する。本構成例のフィルタ1では、共振器10〜50及び導波路60〜70を構成する狭壁として、このようなポスト壁を採用している。
例えば、共振器10の狭壁13は、複数の導体ポスト13i(iは、正の整数)を柵状に、且つ、円形に配列することにより構成されている。同様に、共振器20〜50の狭壁23〜53の各々は、それぞれ、複数の導体ポスト23iから53iにより構成されており、導波路60〜70の狭壁63,64,73,74の各々は、それぞれ複数の導体ポスト63i,64i,73i,74iにより構成されている。
共振器10と共振器20とを電磁気的に結合させる結合窓AP12は、導体ポスト13iの一部及び導体ポスト23iの一部を省略することによって得られる。結合窓AP23,AP34,AP45,AP,APについても同様である。
ポスト壁導波路の技術を用いて構成したフィルタ1は、金属製の導波管の技術を用いて構成したフィルタ1と比較して、容易に作製することができ、軽量化を図ることもできる。
<変換部>
図4に示したフィルタ1において、導波路60の共振器10側と逆側の端部(y軸負方向側の端部)には、図5に示す変換部80(請求の範囲に記載の入力変換部)が設けられていてもよい。同様に、導波路70の共振器50側と逆側の端部(y軸正方向側の端部)にも、変換部80(請求の範囲に記載の出力変換部)が設けられていてもよい。以下では、導波路60の端部に設けられた変換部80を例にして説明する。
導波路60の端部に変換部80を設ける場合、当該端部には、ショート壁66が形成される。ショート壁66は、複数の導体ポスト66iを柵状に配列することによって得られるポスト壁である。ショート壁66は、ショート壁65と対になるショート壁であり、導波路60の共振器10側と逆側の端部を閉じる。
図5の(a),(b)に示すように、変換部80は、信号線85と、パッド86と、ブラインドビア87と、電極88,89とを備えている。
誘電体層5は、導体層2の表面に形成されている、誘電体製の層である。誘電体層5には、変換部80を構成する導波路と重畳する開口5aが設けられている。また、変換部80の導体層2には、開口5aと重畳する開口2aが設けられている。開口2aは、開口5aを包含するように設けられている。開口2aは、アンチパッドとして機能する。
信号線85は、誘電体層5の表面に形成された帯状導体である。信号線の一端部は、開口5aを取り囲み、且つ、開口2aと重畳する領域に形成されている。なお、信号線85と導体層2とは、マイクロストリップ線路を形成する。
パッド86は、基板3の表面であって、導体層2が設けられている表面に形成された円形の導体層である。パッド86は、導体層2に設けられた開口2a内に、導体層2と絶縁された状態で配置されている。
基板3の表面には、導体層2が設けられた表面から、基板3の内部に向かう非貫通孔が形成されている。ブラインドビア87は、その非貫通孔の内壁に形成された筒上の導体膜からなる。ブラインドビア87は、信号線85の一端部に、パッド86を介して導通するように接続されている。すなわち、ブラインドビア87は、信号線85の一端部に接続されており、開口2a,5aを通って基板3の内部に形成されている。ブラインドビア87は、請求の範囲に記載の導体ピンに対応する。
電極88,89は、誘電体層5の表面に形成された電極である。電極88,89の各々は、信号線85の他端部近傍に、信号線85の他端部を挟むように配置されている。
誘電体層5の電極58と重畳する領域には、複数の貫通孔が設けられている。これらの複数の貫通孔には、ビア88Aとして機能する導体が充填されている。ビア88Aは、電極88と導体層2とを短絡する。また、ビア88Aと同様に構成されたビア89Aは、電極89と導体層2とを短絡する。このように構成された電極88及び電極89は、グランドとして機能するので、信号線85とともにグランド−シグナル−グランドの端子構造を実現する。
このように構成された変換部80は、マイクロストリップ線路を伝搬するモードと、導波路60の内部を伝搬するモードとを変換する。したがって、変換部80は、入力ポート及び出力ポートの各々に対して、マイクロストリップ線路を容易に結合させることができる。また、信号線85と電極88,89とからなる端子構造には、RFICをバンプなどを用いて容易に接続することができる。
なお、本構成例では、導波路60又は導波路70の端部に変換部80を設けるものとして説明した。すなわち、変換部80は、導波路60又は導波路70を介して共振器10又は共振器50に結合されるものとして説明した。しかし、変換部80は、共振器10又は共振器50に直接結合するように設けられていてもよい。すなわち、変換部80のブラインドビア87は、共振器10の広壁11又は共振器50の広壁51の一部に設けられた開口から共振器10又は共振器50の内部に形成されるように構成されていてもよい。
〔第2の実施形態〕
本発明の第2の実施形態に係るフィルタについて、図6を参照して説明する。図6の(a)は、本実施形態に係るフィルタ201の斜視透視図である。図6の(b)は、フィルタ201の平面図である。なお、図6の(b)は、一方の広壁(z軸正方向側の広壁)を構成する導体層202を省略した状態のフィルタ201を図示している。これは、共振器210〜250及び導波路260,270を構成する狭壁213,223,233,243,253,263,264,273,274を構成する導体ポストの配置を分かりやすく図示するためである。
フィルタ201は、図4に示したフィルタ1に対して、導体ポスト214,224,234,244,254を追加することによって得られる。したがって、本実施形態では、導体ポスト214,224,234,244,254について説明し、それ以外の構成に関する説明を省略する。なお、フィルタ201を構成する各部材に付した部材番号は、フィルタ1を構成する各部材に対して付した部材番号を200番台に変更することによって得られる。
導体ポスト214,224,234,244,254について、導体ポスト214を例にして説明する。導体ポスト214は、共振器210を構成する一方の広壁(導体層2の一部)から共振器210の内部に向かって突出し、共振器210を構成する他方の広壁(導体層4の一部)に至る、導体製の突出部である。導体ポスト214は、狭壁213を構成する導体ポストと同様に構成されている。また、導体ポスト224,234,244,254は、導体ポスト214と同様に構成されている。
共振器210が導体ポスト214を備えていることによって、導体ポスト214を省略した状態の共振器210と比較して、共振周波数を変化させることができる。その結果として、フィルタ201の共振周波数を変化させることができる。
導体ポスト214を追加することによって得られる共振周波数の変化は、導体ポスト214を形成する位置を調整することにより、変化させることができる。このことは、フィルタ201の特性を調整するための設計パラメータとして、導体ポスト214を形成する位置を利用できることを意味する。したがって、フィルタ201は、各共振器210〜250の形状を設計変更することなく、容易に特性を調整することができる。
なお、フィルタ201では、各共振器210〜250の各々に、それぞれ、突出部である導体ポスト214〜254が形成されている。しかし、突出部は、少なくとも1つの共振器に形成されていればよい。
(第7の変形例)
図7を参照して、本発明の第7の変形例であるフィルタ301について説明する。図7は、フィルタ301の斜視透視図である。フィルタ301は、フィルタ201の構成をベースとして、導体ポスト214、224,234,244,254の代わりに突出部314,324,334,344,354を採用することによって得られる。したがって、本変形例では、突出部314〜354について説明し、それ以外の構成に関する説明を省略する。なお、フィルタ301を構成する各部材に付した部材番号は、フィルタ201を構成する各部材に対して付した部材番号を300番台に変更することによって得られる。
突出部314は、共振器310を構成する一方の広壁である広壁311から共振器310の内部に向かって突出した導体製の突出部である。突出部314と導体ポスト214とを比較すると、突出部314の方が、(1)広壁311の中心(共振器310の中心)近傍に形成されており、且つ、(2)広壁311からの突出量が短い。また、突出部324,334,344,354は、突出部314と同様に構成されている。
突出部314(または導体ポスト214)を形成することによって得られる共振周波数の変化は、(1)突出部314(または導体ポスト214)を形成する位置が狭壁313(または213)に近いほど小さく、広壁311(または211)の中心に近づくほど大きく、(2)突出部314(または導体ポスト214)の突出量が小さいほど小さく、突出量が大きいほど大きい。
突出部314のように、広壁311の中心近傍に突出部を設ける場合には、共振周波数の変化が大きくなりすぎないように、突出量を小さくすることが好ましい。
このように、突出部を形成する位置と、突出量とを調整することによって、フィルタ301は、各共振器310〜350の形状を設計変更することなく、容易に特性を調整することができる。
〔実施例及び比較例〕
本発明の実施例であるフィルタ1と、比較例であるフィルタ501とについて、図8〜図10を参照して説明する。図8は、フィルタ1及びフィルタ501の平面図である。図9の(a)は、フィルタ1及びフィルタ501における反射特性(SパラメータS(1,1)の周波数依存性)を示すグラフである。図9の(b)は、フィルタ1及びフィルタ501における透過特性(SパラメータS(2,1)の周波数依存性)を示すグラフである。図10の(a)は、フィルタ1の内部における電界分布を示す等高線図である。図10の(b)は、フィルタ501の内部における電界分布を示す等高線図である。
フィルタ1は、図1に示したフィルタ1において、設計パラメータである各共振器間の広壁の半径と、中心間距離とを以下のように定めたものである。なお、D12,D45,D23,D34の値は、小数点第一位を四捨五入している。
・R,R=749μm
・R,R=787μm
・R=792μm
・D12,D45=1446μm
・D23,D34=1449μm
また、フィルタ501は、長方形の共振器510,520,530,540,550を一直線状に結合した共振器結合型のフィルタであり、共振器510〜550の長さ及び幅を、図8に示すように定めたものである。
上述したフィルタ1の各設計パラメータは、フィルタ1の特性がフィルタ501とできるだけ近い特性になるように定めた。
図9の(a)及び(b)を参照すると、フィルタ1の特性がフィルタ501とよく一致していることが分かった。また、通過帯域におけるS(1,1)を参照すると、フィルタ1の方が反射を抑制できており、通過帯域におけるS(2,1)を参照すると、フィルタ1の方が高い透過率を示すことが分かった。
図10の(a)を参照すると、フィルタ1において、導波路60から共振器10に結合された電磁波が、共振器20〜40を介して共振器50まで伝搬され、共振器50から導波路70に結合されていることが分かった。その上で、共振器10〜50の隅々まで電界が分布していることが分かった。一方、図10の(b)を参照すると、共振器510〜550の角近傍に電界が分布していない(あるいは電界の強度がとても低い)領域があることが分かった。フィルタ1とフィルタ501とにおけるこの違いは、各共振器を構成する広壁の形状の違いに起因すると考えられる。これらの結果より、フィルタ1は、結合窓AP,AP12,AP23,AP34,AP45,APが設けられている部分を除いて、広壁の形状が円形であるため、フィルタ501と比較して、各共振器のキャビティーをより有効に活用することができることが分かった。
以上の結果から、広壁の形状が円形である共振器10〜50を用いて、広壁の形状が長方形である共振器510〜550を備えたフィルタ501と同等あるいは上回る特性を有し、且つ、コンパクトなフィルタ1を設計することができた。
(第8〜第16の変形例)
図11〜図14を参照して、フィルタ1の第8〜第16の変形例であるフィルタ1g〜1oについて説明する。図11の(a)及び(b)は、フィルタ1g及びフィルタ1hの平面図である。図12の(a)〜(c)は、フィルタ1i〜1kの平面図である。図13の(a)〜(d)は、フィルタ1l〜フィルタ1oの平面図である。図14は、フィルタ1及びフィルタ1g〜1oにおける反射特性(SパラメータS(1,1)の周波数依存性)を示すグラフである。
フィルタ1g〜1oの各々は、何れも、図1に示したフィルタ1を変形することによって得られる。より具体的には、フィルタ1g〜1oの各々は、フィルタ1を構成する5つの共振器10〜50のうちのいくつかの共振器の位置を移動することによって、得られる。なお、フィルタ1からフィルタ1g〜1oを得るために実施する共振器の移動は、ある点を回転中心とする回転変換、及び、ある直線を対称軸とする鏡映変換の少なくとも一方により実現される。
ここでは、フィルタ1g〜1oの各々を得るために実施した各共振器の位置について説明するとともに、フィルタ1g〜1oの各々により得られた反射特性(SパラメータS(1,1)の周波数依存性)について説明する。
フィルタ1g〜1oの各々は、何れも、フィルタ1が備えている共振器10〜50、及び、導波路60〜70に対応する共振器及び導波路を備えている。すなわち、フィルタ1gは、共振器10g〜50g、及び、導波路60g〜70gを備えており(図11の(a)参照)、フィルタ1hは、共振器10h〜50h、及び、導波路60h〜70hを備えており(図11の(b)参照)、フィルタ1iは、共振器10i〜50i、及び、導波路60i〜70iを備えており(図12の(a)参照)、フィルタ1jは、共振器10j〜50j、及び、導波路60j〜70jを備えており(図12の(b)参照)、フィルタ1kは、共振器10k〜50k、及び、導波路60k〜70kを備えており(図12の(c)参照)、フィルタ1lは、共振器10l〜50l、及び、導波路60l〜70lを備えており(図13の(a)参照)、フィルタ1mは、共振器10m〜50m、及び、導波路60m〜70mを備えており(図13の(b)参照)、フィルタ1nは、共振器10n〜50n、及び、導波路60n〜70nを備えており(図13の(c)参照)、フィルタ1oは、共振器10o〜50o、及び、導波路60o〜70oを備えている(図13の(d)参照)。
ここでは、フィルタ1gを構成する共振器10g〜50gの中心のことを、それぞれ、フィルタ1を構成する共振器10〜50の各々の場合と同じく、中心C1g〜C5gと称する。同様に、フィルタ1h〜1oを構成する共振器10h〜50hの中心のことを、それぞれ、中心C1h〜C5hと称し、共振器10i〜50iの中心のことを、それぞれ、中心C1i〜C5iと称し、共振器10j〜50jの中心のことを、それぞれ、中心C1j〜C5jと称し、共振器10k〜50kの中心のことを、それぞれ、中心C1k〜C5kと称し、共振器10l〜50lの中心のことを、それぞれ、中心C1l〜C5lと称し、共振器10m〜50mの中心のことを、それぞれ、中心C1m〜C5mと称し、共振器10n〜50nの中心のことを、それぞれ、中心C1n〜C5nと称し、及び、共振器10o〜50oの中心のことを、それぞれ、中心C1o〜C5oと称する。
図11の(a)に示すように、フィルタ1gは、フィルタ1をもとにして、中心C3gを回転中心として、共振器40g及び50gを反時計回りに30°回転変換することによって得られる。図11の(b)に示すように、フィルタ1hは、フィルタ1をもとにして、中心C4hを回転中心として、共振器50hを反時計回りに90°回転変換することによって得られる。
図12の(a)に示すように、フィルタ1iは、フィルタ1をもとにして、中心C3iを回転中心として、共振器40g及び50gを反時計回りに180°回転変換することによって得られる。あるいは、フィルタ1iは、フィルタ1をもとにして、中心C3iを通るy軸に平行な直線を対称軸として、共振器40g及び50gを鏡映変換し、更に、中心C3iを通るx軸に平行な直線を対称軸として共振器40g及び50gを鏡映変換することによって得られる。図12の(b)に示すように、フィルタ1jは、フィルタ1iをもとにして、中心C2jを回転中心として、共振器30j〜50jを時計回りに45°回転変換することによって得られる。図12の(c)に示すように、フィルタ1kは、フィルタ1jをもとにして、中心C4kを回転中心として、共振器50kを時計回りに45°回転変換することによって得られる。なお、図12の(a)において、中心Cを通るy軸に平行な直線を対称軸として鏡映変換した状態の共振器40g及び50gは、図示していない。
図13の(a)に示すように、フィルタ1lは、フィルタ1をもとにして、中心C3lを通るy軸に平行な直線を対称軸として、共振器40l及び50lを鏡映変換することによって得られる。図13の(b)に示すように、フィルタ1mは、フィルタ1lをもとにして、中心C3mを回転中心として、共振器40m及び50mを時計回りに90°回転変換することによって得られる。図13の(c)に示すように、フィルタ1nは、フィルタ1mをもとにして、中心C4nを回転中心として、共振器50mを反時計回りに30°回転変換することによって得られる。図13の(d)に示すように、フィルタ1oは、フィルタ1nをもとにして、中心C4oを回転中心として、共振器50oを反時計回りに20°回転変換することによって得られる。
これらの変換操作により得られたフィルタ1g〜1oの各々は、図14に示すように、フィルタ1と、同程度の中心周波数及び同程度の−10dBにおける帯域幅を示すことが分かった。なお、−15dBにおける帯域幅に着目すると、フィルタ1j、フィルタ1n、及びフィルタ1oにおいては、帯域幅が狭まることが分かった。
フィルタ1g〜1oの各々は、フィルタ1と同様に、電磁気的に結合された5個の共振器を備えており、前記複数の共振器の各々は、円形の広壁を有している。そのうえで、5個の共振器のうち互いに結合されている2つの共振器の各々は、これら2つの共振器の広壁の外接円の半径をR及びRとし、これら2つの共振器の中心間距離をDとした場合に、D<R+Rとなるように配置されている。したがって、フィルタ1g〜1oの各々は、フィルタ1と同様に、設計パラメータの数を少なくすることができ、結果として所望の特性を有するフィルタを容易に設計することができる。
さらに、本発明の一態様に係るフィルタは、各共振器の位置に関して上述したような回転変換及び鏡映変換の少なくとも何れかを実施した場合であっても、中心周波数は、おおよそ変わらず、帯域幅も大きく変化しないことが分かった。したがって、本発明の一態様に係るフィルタは、導波路60及び導波路70の位置及びその延伸される方向を定めるときの自由度(すなわち設計自由度)を高めることができることが分かった。
本発明は上述した各実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、異なる実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。
1,201,301,1a〜1o フィルタ
10,20,30,40,50,210〜250,310〜350,10a〜50a,10b〜50b,10c〜50c,10d〜50d,10e〜50e,10f〜50f,10g〜50g,10h〜50h,10i〜50i,10j〜50j,10k〜50k,10l〜50l,10m〜50m,10n〜50n,10o〜50o 共振器
11,12,21,22,31,32,41,42,51,52 広壁
13,23,33,43,53 狭壁
13i,23i,33i,43i,53i 導体ポスト
60,70 導波路
61,62,71,72 広壁
63,64,73,74 狭壁
63i,64i,73i,74i 導体ポスト
65,66,75 ショート壁
80 変換部(入力変換部及び出力変換部)

Claims (6)

  1. 電磁気的に結合された複数の共振器を備えたフィルタであって、
    前記複数の共振器の各々は、一対の広壁と、当該一対の広壁の間に介在する狭壁とにより構成されており、前記広壁は、円形または6角形以上の正多角形の形状を有し、
    前記一対の広壁は、誘電体基板の両面に設けられた一対の導体層からなり、
    前記狭壁は、前記誘電体基板を貫通し、且つ、一対の広壁の各々を導通させる導体ポスト群からなり、
    前記複数の共振器のうち互いに結合されている2つの共振器の各々は、これら2つの共振器の広壁の外接円の半径をR及びRとし、これら2つの共振器の中心間距離をDとした場合に、D<R+Rとなるように配置され
    前記複数の共振器のうち少なくとも1つの共振器は、前記狭壁を構成する前記導体ポスト群の他に、前記誘電体基板を貫通し、且つ、一対の広壁の各々を導通させる導体製の導体ポストを更に含む、
    ことを特徴とするフィルタ。
  2. 前記複数の共振器は、入力ポートが設けられた最初段の共振器と、出力ポートが設けられた最終段の共振器とが隣接するように配置されている、
    ことを特徴とする請求項1に記載のフィルタ。
  3. 前記複数の共振器は、入力ポートが設けられた最初段の共振器と、出力ポートが設けられた最終段の共振器とを含み、
    前記最初段の共振器のうち前記最終段の共振器と対向する側と逆側の領域に、当該最初段の共振器の中心と前記最終段の共振器の中心とを通る直線と交わる、前記入力ポートとして機能する結合窓が形成されており、
    前記最終段の共振器のうち前記最初段の共振器と対向する側と逆側の領域に、前記直線と交わる、前記出力ポートとして機能する結合窓が形成されている、
    ことを特徴とする請求項1又は2に記載のフィルタ。
  4. 前記複数の共振器は、入力ポートが設けられた最初段の共振器と、出力ポートが設けられた最終段の共振器とを含み、
    前記最初段の共振器及び前記最終段の共振器の各々には、それぞれ、入力変換部及び出力変換部が直接または導波路を介して結合されており、
    前記入力変換部及び前記出力変換部の各々は、前記最初段の共振器及び前記最終段の共振器の一方の広壁または前記導波路の一方の広壁とともにマイクロストリップ線路を構成する帯状導体と、当該帯状導体の一端部に導通し、且つ、前記一方の広壁に形成された開口を通して、前記最初段の共振器及び前記最終段の共振器または前記導波路の内部に形成された導体ピンとにより構成されている、
    ことを特徴とする請求項1〜3の何れか1項に記載のフィルタ。
  5. 前記複数の共振器は、奇数個の共振器により構成されている、
    ことを特徴とする請求項1〜4の何れか1項に記載のフィルタ。
  6. 前記複数の共振器のうち少なくとも1つの共振器は、当該共振器を構成する一対の広壁のうち何れか一方の広壁から当該共振器の内部に向かって突出した導体製の突出部であって、その突出量が前記導体ポストの突出量より短い突出部を更に含む、
    ことを特徴とする請求項1〜の何れか1項に記載のフィルタ。
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