JP6353938B1 - バンドパスフィルタ及び多段バンドパスフィルタ - Google Patents

Abstract

【課題】ＳＩＷを用いてかつ製造後に共振周波数の微調整が可能なバンドパスフィルタを提供する。【解決手段】実施形態のバンドパスフィルタは、第１面と、前記第１面とは反対の第２面と、前記第１面に形成されるブラインドビアとを有し、単一の誘電体材料で形成される基板と、前記ブラインドビアの開口及びその周囲の円環状領域を除いた前記第１面を覆う第１導体層と、前記第２面を覆う第２導体層と、前記第１面から前記第２面に向かって前記基板を貫通する導体で形成され、平面視において前記ブラインドビアを囲むように配置されるポスト壁と、前記ブラインドビア内に形成されるビア導体と、前記第１導体層と前記ビア導体とを電気的に接続する金属配線部と、を備える。【選択図】図１

Description

本発明は、バンドパスフィルタ及び多段バンドパスフィルタに関する。

通信容量の拡大に伴い、より広帯域かつ高密度化可能なミリ波帯が注目を浴びている。それに伴いミリ波帯のバンドパスフィルタが必要になっている。
バンドパスフィルタとしては、中空導波管で共振器を形成し、それぞれの共振器を電磁界結合させる構造が用いられている（例えば特許文献１）。また、誘電体基体の上面及び下面にそれぞれ導体層を形成し、スルーホールを介してこの上下面を電気的に接続して導波路を形成する誘電体導波路（ＳＩＷ）を用いた共振器もバンドパスフィルタとして注目されている（例えば特許文献２や非特許文献１）。

特開平５−２５９７１９号公報 特開２００３−２２９７０３号公報

Fermin Mira, Jordi Mateu, Senior Member, et al, "Mechanical Tuning of Substrate Integrated Waveguide Resonators", IEEE MICROWAVE AND WIRELESS COMPONENTS LETTERS, VOL. 22, NO. 9, SEPTEMBER 2012

特許文献１では、中空導波管に調整ねじが差し込まれた共振器が開示されている。特許文献１は、中空導波管への調整ねじの差し込み深さを変えることにより共振周波数を調整でき、製造のばらつきを補正することができることを開示している。
しかしながら、特許文献１が開示するような中空導波管を用いる場合、共振器が大きくて重いため扱いづらいことがある。

一方、特許文献２や非特許文献１に開示されるように、ＳＩＷを用いれば中空導波管よりも小さくて軽い共振器を実現できる。

特許文献２では、共振器を形成するビアホールの周囲にスロットを形成することで、誘電体基板の一面上の導体層と電気的に分離したパッドが形成されることが開示される。そして、このパッドと導体層とをボンディングワイヤなどで接続することでフィルタ特性を調整することが開示されている。
しかしながら、特許文献２では、具体的に共振周波数をどのように変化可能であるかについて開示されておらず、高い調整精度が求められる場合に対応できないおそれがある。

また、非特許文献１では、導波路を形成するスルーホールの他に、導波路中に導体が充填された貫通孔が設けられる。誘電体基体の上面におけるこの貫通孔の開口を囲むように導体層が除去されており、該上面において導体層とこの貫通孔中の導体とは電磁波の伝搬方向に対して所定の角度で電気的に接続される。非特許文献１は、導体層と貫通孔中の導体とのこの接続角度を調整することで共振周波数を調整することを開示する。
しかしながら、非特許文献１では、接続角度の変化に対して共振周波数の変化が大きいため、共振周波数の微調整ができないおそれがある。

また特許文献２や非特許文献１に開示されるようなＳＩＷを用いる場合、導波路が誘電体で構成されるため、例えば特許文献１のように共振器の製造後に共振器に金属棒を差し込んだり、その深さを調整したりすることは困難である。

本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであって、ＳＩＷを用いてかつ製造後に共振周波数の微調整が可能なバンドパスフィルタを提供することを目的とする。

本発明の第１態様に係るバンドパスフィルタは、第１面と、前記第１面とは反対の第２面と、前記第１面に形成されるブラインドビアとを有し、単一の誘電体材料で形成される基板と、前記ブラインドビアの開口及びその周囲の円環状領域を除いた前記第１面を覆う第１導体層と、前記第２面を覆う第２導体層と、前記第１面から前記第２面に向かって前記基板を貫通する導体で形成され、平面視において前記ブラインドビアを囲むように配置されるポスト壁と、前記ブラインドビア内に形成されるビア導体と、前記第１導体層と前記ビア導体とを電気的に接続する金属配線部と、を備える。

前記金属配線部が、前記第１導体層と前記ビア導体とをワイヤボンディングで電気的に接続してもよい。

上記態様に係るバンドパスフィルタが、前記第１導体層及び前記円環状領域を覆い、前記第１導体層上に貫通孔を有する誘電体層をさらに有し、前記金属配線部が、前記誘電体層上に形成され、前記貫通孔を介して前記第１導体層と前記ビア導体とを電気的に接続してもよい。

平面視で前記ポスト壁で囲まれた空間において、前記ビア導体が高周波信号の伝搬方向の中央部で、かつ前記伝搬方向に交差する方向において、中央部より前記ポスト壁に近い位置に配置されてもよい。

前記円環状領域の円環の幅が３０μｍ〜１００μｍであってもよい。

本発明の第２態様に係る多段バンドパスフィルタは、上記第１態様に係るバンドパスフィルタを複数並列して構成される。

本発明の上記態様によれば、ＳＩＷを用いた共振器において、ブラインドビアに設けられるビア導体と、第１導体層とビア導体とを電気的に接続する金属配線部とを備えることで、ＳＩＷを用いてかつ製造後に共振周波数の微調整が可能なバンドパスフィルタを提供することができる。

本発明の第１実施形態に係るバンドパスフィルタ１の斜視図である。 （ａ）は本発明の第１実施形態に係るバンドパスフィルタ１の構成を模式的に示した上面図であり、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ線に沿う断面図である。 （ａ）はバンドパスフィルタ１の第１の変形例の上面図であり、（ｂ）は（ａ）のＢ−Ｂ線に沿う断面図である。 （ａ）はバンドパスフィルタ１の第２の変形例の上面図であり、（ｂ）は（ａ）のＣ−Ｃ線に沿う断面図である。 （ａ）はバンドパスフィルタ１の第３の変形例の上面図であり、（ｂ）は（ａ）のＤ−Ｄ線に沿う断面図である。 本発明の第２実施形態に係る多段バンドパスフィルタ１０の斜視図である。 （ａ）は比較例として貫通孔を採用した場合の、（ｂ）〜（ｅ）は実施例としてブラインドビアの深さをそれぞれ２５μｍ、５０μｍ、７５μｍ、１００μｍで設定した場合のバンドパスフィルタの周波数とＳパラメータ（Ｓ２１）との関係を示す。

以下、好適な実施形態に基づき、図面を参照して本発明を説明する。なお、以下に示す実施形態は、発明の趣旨をより良く理解させるために、例を挙げて説明するものであり、特に指定のない限り、本発明を限定しない。また、以下の説明に用いる図面は、本発明の特徴を分かりやすくするために、便宜上、要部となる部分を拡大している場合があり、各構成要素の寸法比率などが実際と同じであるとは限らない。また、本発明の特徴を分かりやすくするために、便宜上、省略した部分がある。

［第１実施形態］
本発明の第１実施形態に係るバンドパスフィルタ１の構成について、図１及び図２を用いて説明する。図１は、本発明の第１実施形態に係るバンドパスフィルタ１の構成を模式的に示した斜視図である。図２の（ａ）は本発明の第１実施形態に係るバンドパスフィルタ１の構成を模式的に示した上面図であり、図２の（ｂ）は図２（ａ）のＡ−Ａ線に沿う断面図である。なお、図２においては周波数調整部の構成の説明の都合上、ポスト壁の構成については図１よりも簡略的に示している。

図１及び２に示されるように、本実施形態に係るバンドパスフィルタ１は、基板２と、導体層３、４と、ポスト壁５と、周波数調整部６とで構成される。

基板２は、単一の誘電体材料で形成されている。誘電体材料としては、高周波信号を低損失で伝搬できる石英ガラス、ガラスクロスなどの低誘電率、低誘電正接樹脂、及び低温同時焼成セラミックス(LTCC)であることが好ましい。基板２の大きさ及び厚さは、伝搬する高周波信号の特性に応じて適宜選択すればよい。Ｅバンド（７１〜８６ＧＨｚ）の高周波信号に用いる場合は例えば４００μｍの厚さの基板を用いることが挙げられる。
基板２は、矩形形状の上面（第１面）２ａと下面（第２面）２ｂを有する。上面２ａには、所定の厚さを有するブラインドビア６１が形成されている。ブラインドビア６１は、断面が略円形状の非貫通孔であり、その内部に後述のビア導体６２が形成される。また基板２には、基板２の上面２ａから下面２ｂに向かって基板２を貫通する断面が略円形状の複数の貫通孔５１が形成される。貫通孔５１は、その中部にポスト壁５を構成する導体柱５２が形成される。
ブラインドビア６１及び貫通孔５１はマスクを用いたエッチング法などにより適宜形成することができる。なお、ブラインドビア６１及び貫通孔５１の開口径としては例えば作製のしやすさの観点から５０〜２００μｍが挙げられる。

導体層３、４は、銅薄膜等で形成される。
導体層３（第１導体層）は、ブラインドビア６１の上面２ａにおける開口の周囲のスロット６３を除いた基板２の上面２ａの全面を覆う。スロット６３は円環状領域である。スロット６３の外径と内径の差（円環の幅）は、３０μｍ〜１００μｍ（であることが好ましい。円環の幅が１００μｍより広いと高周波信号が放射してしまうおそれがあり、また、円環の幅が３０μｍより狭いと作製が困難となるおそれがある。
導体層４（第２導体層）は、基板２の下面２ｂの全面を覆う。なお、導体層３、４が共振器として機能すれば上下面２ａ、２ｂの全面を覆っていなくてもよい。また導体層３、４が銅薄膜である場合、その厚さは１μｍ〜４０μｍであることが好ましい。導体層３、４の厚さが１μｍより薄いと損失が増え、４０μｍより厚いと扱いづらいおそれがある。
導体層３、４は銅めっき法などにより適宜形成することができる。

ポスト壁５は、複数の導体柱５２で構成され、一対の第１壁部５ａと一対の第２壁部５ｂとを有する。導体柱５２は、その両端部において導体層３、４と電気的に接続される。第１壁部５ａでは、平面視で基板２の向かい合う２辺に平行に複数の導体柱５２が並列される。また第１壁部５ａは基板２の向かい合う２辺に近い位置にそれぞれ形成される。第２壁部５ｂでは、第１壁部５ａの導体柱５２が並ぶ方向に垂直な方向に複数の導体柱５２が並列される。また一対の第２壁部５ｂは互いに所定の間隔を空けて配置される。
複数の導体柱５２は、第１及び第２壁部５ａ、５ｂにおいて、誘電体導波路（ＳＩＷ）中を伝搬する高周波信号が外部に漏洩しない間隔で配列されている。ただし、第２壁部５ｂには、所定波長の高周波信号が通過できる開口部７が導体柱５２の並列方向の中央部に形成されるように配列されている。つまり、本実施形態に係るバンドパスフィルタ１では、第１壁部５ａの導体柱５２が並列する方向が高周波信号の伝搬方向Ｘとなる。
なお、開口部７は導体柱５２の並列方向の中央部に形成されていなくてもよく、一方の第１壁部５ａに寄った位置に形成されていてもよい。

ポスト壁５を構成する導体柱５２は銅めっき法により形成することができ、導体層３、４と同時に形成されてもよい。また導体柱５２において、導体が貫通孔５１の全内面を覆っていれば、貫通孔５１の内部に完全に充填されていなくとも良い。導体が貫通孔５１の内部に完全に充填されていてもよい。

周波数調整部６は、ブラインドビア６１の内部に導体が形成されたビア導体６２と、ビア導体６２と導体層３とを電気的に接続する金属配線部６４とで構成される。
ビア導体６２はブラインドビア６１の少なくとも内面全体を覆う円柱上の導体である。ビア導体６２の材料としては例えば銅が挙げられ、導体層３と同時に形成されてもよい。また、ビア導体６２は中空であってもよいし、中実であってもよい。
金属配線部６４の幅は特に限定されないが、導体柱５２の直径程度かそれよりも小さいことが挙げられる。金属配線部６４は例えば銅めっき法により形成することができる。金属配線部６４は、金属配線部６４以外の部分を形成して、必要な共振周波数の調整量を見積もった後で形成してもよい。導体層３の形成前に金属配線部６４の位置を見積もれる場合は導体層３と同時に形成されてもよい。

周波数調整部６では、金属配線部６４が設けられていない状態では、ビア導体６２と導体層３とはスロット６３により絶縁されている。金属配線部６４は、平面視において、ビア導体６２と導体層３とを、高周波信号の伝搬方向Ｘに垂直な方向に対して所定の角度θで部分的に接続する。そして、ブラインドビア６１の深さ（ビア導体６２の長さ）及び角度θを変化させることで共振周波数を調整することができる。
特に、ブラインドビア６１を採用することによって角度θを変化させた際の共振周波数の変化が、貫通孔にビア導体を形成した場合よりも小さくなる。つまり、本実施形態に係るバンドパスフィルタ１を用いれば、ＳＩＷを製造した後であっても金属配線部６４の位置を調整することで共振周波数の微調整が可能になる。よって、目標精度が高い場合にも対応できるバンドパスフィルタを供給することができる。またブラインドビア６１の深さが浅いほど、角度θを変化させた際の共振周波数の変化を小さくすることができると考えられる。

バンドパスフィルタを構成する際には共振器の大きさと共振器との結合量が重要である。ビア導体６２が開口部７と近いと結合量が変化してしまうため、影響を小さくするためにもそれぞれの開口部７から離れた位置が好ましい。従って、平面視でポスト壁５で囲まれた空間において高周波信号の伝搬方向Ｘの中央部にビア導体６２が位置することが好ましい。また、伝搬方向Ｘに対して垂直な方向においては、中心付近は電界強度が強くビア導体６２の影響が大きいため、中央部よりポスト壁５に近い位置にビア導体６２が配置されることが好ましい。

ここで、本実施形態において角度θとは、平面視においてブラインドビア６１（ビア導体６２）の中心から、高周波信号の伝搬方向Ｘに垂直な方向のうち基板２の中央とは反対の方向に向かう線と、金属配線部６４の導体層３との接触部分の中央部に向かう線との角度である。

（第１の変形例）
図３は本実施形態に係る、バンドパスフィルタ１の第１の変形例であるバンドパスフィルタ１Ａを示し、（ａ）はバンドパスフィルタ１Ａの構成を模式的に示した上面図であり、（ｂ）は図３（ａ）のＢ−Ｂ線に沿う断面図である。
なお、バンドパスフィルタ１Ａは、バンドパスフィルタ１に対して金属配線部の構成が異なる。そのため、以降の説明において、すでに説明したものと共通する構成については、同一の符号を付して重複する説明を省略する。

図３に示すように、バンドパスフィルタ１Ａでは、導体層３とビア導体６２とが金属配線部（ワイヤ）６４Ａによってワイヤボンディングで電気的に接続される。例えば、導体層３とは別で金属配線部６４Ａを設ける場合において、ワイヤボンディングであればめっき法よりも簡単に金属配線部６４Ａを形成することができる。また、金属配線部６４Ａを形成後に、角度θを再度調整したい場合などにもワイヤの付け替えを容易に行うことができる。
なお、図３では金属配線部６４Ａが一本のワイヤで構成されているが、隣接する複数のワイヤで形成されてもよい。

（第２の変形例）
図４は本実施形態に係る、バンドパスフィルタ１の第２の変形例であるバンドパスフィルタ１Ｂを示し、（ａ）はバンドパスフィルタ１Ｂの構成を模式的に示した上面図であり、（ｂ）は図３（ａ）のＣ−Ｃ線に沿う断面図である。
バンドパスフィルタ１Ｂは、バンドパスフィルタ１に対して金属配線部の構成が異なる。そのため、以降の説明において、すでに説明したものと共通する構成については、同一の符号を付して重複する説明を省略する。

図４に示すように、バンドパスフィルタ１Ｂでは、スロット６３及び導体層３上が誘電体層８で覆われている。また、誘電体層８は、ビア導体６２上及び導体層３上のスロット６３に近い位置に貫通孔８１、８２を有する。さらに導体層６５が誘電体層８の全面及び貫通孔８１、８２内部を覆うように形成されることで導体層３とビア導体６２とが金属配線部６４Ｂによって電気的に接続される。ここで、金属配線部６４Ｂは、ビア導体６２と導体層３とを導通させるように貫通孔８１の内面、誘電体層８、貫通孔８２の内面に形成される導体層６５の一部を指す。
誘電体層８の材料としては塗布性や誘電率の観点から、例えばポリイミドが挙げられる。貫通孔８１、８２はフォトリソグラフィー法などで形成すればよい。
導体層６５は銅めっき法により形成することができる。

（第３の変形例）
図５は本実施形態に係る、バンドパスフィルタ１の第３の変形例であるバンドパスフィルタ１Ｃを示し、（ａ）はバンドパスフィルタ１Ｃの構成を模式的に示した上面図であり、（ｂ）は図５（ａ）のＤ−Ｄ線に沿う断面図である。
バンドパスフィルタ１Ｃは、バンドパスフィルタ１Ｂに対して金属配線部の構成が異なる。そのため、以降の説明において、すでに説明したものと共通する構成については、同一の符号を付して重複する説明を省略する。

図５に示すように、バンドパスフィルタ１Ｃでは、バンドパスフィルタ１Ｂと異なり、誘電体層８の全面に導体層が形成されるのではなく、金属配線部６４Ｃが、ビア導体６２と導体層３とを導通させるように貫通孔８１の内面、誘電体層８、貫通孔８２の内面にのみ略直線状に形成される。

図４及び図５に示すように、これらの変形例では共振器を構成する導体層３を誘電体層８によって保護することと、貫通孔８２を介してビア導体６２と導体層３とを部分的に接続することを同時に達成することができる。また図４のように導体層６５を設けることによってマスク工程や、導体の除去工程が不要である。また図５のように金属配線部６４Ｃを設けることでめっき材料を節約することができる。

［第２実施形態］
本発明の第２実施形態に係る多段バンドパスフィルタ１０の構成について、図６を用いて説明する。なお、以降の説明においては、第１実施形態と共通する構成については、同一の符号を付して重複する説明を省略する。

図６に示すように本実施形態に係る多段バンドパスフィルタ１０は、第１実施形態に係るバンドパスフィルタ１が３つ並列して構成される。多段バンドパスフィルタ１０では各バンドパスフィルタ１の一対の第１壁部５ａはそれぞれ同一直線状に設けられる。また隣り合うバンドパスフィルタ１の第２壁部５ｂは共有される。

複数のバンドパスフィルタ１を並列して構成することにより、１段だけのバンドパスフィルタよりもフィルタ特性を向上することができる。

なお、図６ではバンドパスフィルタ１が３つ並列しているがこれに限定されない。２つ並列されていてもよいし、４つ以上並列されていてもよい。また、図６ではバンドパスフィルタ１が一方向に並列するが限定されない。例えば第１壁部５ａに開口部を設けて、バンドパスフィルタ１が２方向に配列されるように構成してもよい。

また図６では各バンドパスフィルタ１の開口部７の幅は一定であるが、これに限定されない。要求される共振周波数に応じて開口部７の幅が異なっていてもよい。さらに、図６では高周波信号の伝搬方向Ｘにおける第２壁部５ｂの間隔も一定であるが、これに限定されない。要求される共振周波数に応じて第２壁部５ｂの間隔がそれぞれ異なっていてもよい。

また、上述の第１及び第２実施形態では、基板２にバンドパスフィルタを構成する要素のみが形成されているが、これに限定されない。例えばバンドパスフィルタに高周波信号を伝搬可能な平面回路及び導体ピンが同じ基板２に形成されていてもよい。

以下、実施例を用いて本発明を具体的に説明する。なお、本発明は、この実施例のみに限定されるものではない。

実施例のバンドパスフィルタの構成としては、図１及び図２に示す上述の第１実施形態のバンドパスフィルタ１の構成を用いた。基板には厚さ４００μｍの石英ガラス基板を採用し、各実施例、比較例においてブラインドビアの深さ（ビア導体の長さ）以外は固定して共振周波数の変化を比較することとした。図７にその結果を示す。
図７（ａ）は比較例としてブラインドビアの代わりに貫通孔を採用した場合の周波数とＳパラメータ（Ｓ２１）との関係を示す。図７（ｂ）〜７（ｅ）は実施例として、ブラインドビアの深さをそれぞれ２５μｍ、５０μｍ、７５μｍ、１００μｍで設定した場合の周波数とＳパラメータ（Ｓ２１）との関係を示す。それぞれ角度θは０°、９０°、１８０°、２７０°の４条件でシミュレーションを行った。

図７において、比較例（貫通孔）では、θ＝０°、９０°、１８０°の共振周波数はθ＝９０°の時の周波数を規格化し１とすると０．９８２、１、１．０２０であった。それに対し、実施例では、ブラインドビアの深さ２５μｍでは１．００７、１、０．９８３であり、深さ５０μｍでは１．００７、１、０．９８０であり、深さ７５μｍでは１．０１０、１、０．９７６であり、深さ１００μｍでは１．０１５、１、０．９７２であった。
この結果から、特にθ＝０〜９０°、２７０〜３６０°の範囲では比較例よりも実施例の方が変化量が小さく、調整精度を上げることができることがわかった。特に、比較例とブラインドビアの深さが２５μｍの場合の実施例とを比較すると、θ＝０〜９０°、９０〜１８０°、１８０〜２７０°、２７０〜３６０°のいずれの範囲においても実施例の方が変化量がより細かくできることがわかった。
また、実施例の結果から、ブラインドビアの深さを浅くすることで調整できる量が細かくなっていき、より微調整が可能となることがわかった。さらに、実施例の結果から特にθ＝０〜９０°、２７０〜３６０°の範囲での変化量がより細かくできることがわかった。

以上、本発明のバンドパスフィルタ及び多段バンドパスフィルタについて説明してきたが、本発明は前記の例に限定されるものではなく、発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。

１…バンドパスフィルタ、２…基板、２ａ…上面（第１面）、２ｂ…下面（第２面）、３…導体層（第１導体層）、４…導体層（第２導体層）、５…ポスト壁、８…誘電体層、６１…ブラインドビア、６２…ビア導体、６３…スロット（円環状領域）、６４、６４Ａ、６４Ｂ、６４Ｃ…金属配線部、８１、８２…貫通孔、１０…多段バンドパスフィルタ

Claims (6)

1. バンドパスフィルタであって、
   第１面と、前記第１面とは反対の第２面と、前記第１面に形成されるブラインドビアとを有し、単一の誘電体材料で形成される基板と、
   前記ブラインドビアの開口及びその周囲の円環状領域を除いた前記第１面を覆う第１導体層と、
   前記第２面を覆う第２導体層と、
   前記第１面から前記第２面に向かって前記基板を貫通する導体で形成され、平面視において前記ブラインドビアを囲むように配置されるポスト壁と、
   前記ブラインドビア内に形成されるビア導体と、
   前記第１導体層と前記ビア導体とを電気的に接続する金属配線部と、を備えるバンドパスフィルタ。
2. 前記金属配線部が、前記第１導体層と前記ビア導体とをワイヤボンディングで電気的に接続する、請求項１に記載のバンドパスフィルタ。
3. 前記第１導体層及び前記円環状領域を覆う誘電体層をさらに有し、
   前記金属配線部が、前記誘電体層上を経由して、前記第１導体層と前記ビア導体とを電気的に接続する、請求項１に記載のバンドパスフィルタ。
4. 平面視で前記ポスト壁で囲まれた空間において、前記ビア導体が高周波信号の伝搬方向の中央部で、かつ前記伝搬方向に交差する方向において、中央部より前記ポスト壁に近い位置に配置される、請求項１〜３のうちのいずれか一項に記載のバンドパスフィルタ。
5. 前記円環状領域の円環の幅が３０μｍ〜１００μｍである、請求項１〜４のうちのいずれか一項に記載のバンドパスフィルタ。
6. 請求項１〜５のいずれか一項に記載のバンドパスフィルタを複数並列して構成される多段バンドパスフィルタ。

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