JP7259990B2 - 誘電体導波管フィルタ - Google Patents

Description

本発明は、複数の誘電体導波管共振器を備えて構成される誘電体導波管フィルタに関する。

複数の誘電体導波管共振器を有する誘電体導波管フィルタは、例えば特許文献１に開示されている。この特許文献１に記載の誘電体導波管フィルタは、隣接する誘電体導波管共振器同士が結合するように、共振器間に結合部が構成されている。

特許文献１に示されるような、複数の誘電体導波管共振器が配列されて、隣接する誘電体導波管共振器同士が結合する誘電体導波管フィルタにおいては、信号伝搬の主経路に沿って隣接する誘電体導波管共振器同士が結合するとともに、主経路の順での複数の誘電体導波管共振器を飛び越して結合させる副経路を構成することができる。

国際公開第２０１８／０１２２９４号

従来、通過帯域の低域側と高域側の減衰量を確保するため、必要な段数だけ、複数の誘電体導波管共振器が多段接続されている。また、信号伝搬の主経路とは別に副経路を設けて、所定の誘電体導波管共振器同士を、いわゆる「飛び越し結合」させて、通過域の低域側又は高域側に減衰極を形成することも行われている。

しかし、所定の減衰量を確保するために共振器の段数を多くするほど、通過帯域における挿入損失が増大してしまう。また、全体のサイズが大型化してしまう。

そこで、本発明の目的は、少ない共振器の段数で、通過域から減衰域にかけての減衰特性を急峻にした誘電体導波管フィルタを提供することにある。

本開示の一例としての誘電体導波管フィルタの構成を列挙すると次のとおりである。

（ａ）誘電体導波管フィルタは、複数の誘電体導波管共振器と、主結合部と、副結合部と、を備える。

（ｂ）各誘電体導波管共振器は、互いに対向する第１主面及び第２主面、並びに、前記第１主面の外縁及び前記第２主面の外縁を繋ぐ側面を有する誘電体板と、前記第１主面に形成された第１面導体と、前記第２主面に形成された第２面導体と、前記誘電体板の内部に形成され、前記第１面導体と前記第２面導体とを接続する接続導体と、をそれぞれ有する。

（ｃ）主結合部は、信号伝搬の主経路に沿って隣接する誘電体導波管共振器同士の間に設けられ、副結合部は、信号伝搬の副経路に沿って隣接する誘電体導波管共振器同士の間に設けられる。

（ｄ）前記複数の誘電体導波管共振器の一部又は全部は、前記第１主面に対して垂直方向に延びる内部導体を備える。

（ｅ）前記複数の誘電体導波管共振器は、３つ以上の誘電体導波管共振器で構成される第１組の誘電体導波管共振器、３つ以上の誘電体導波管共振器で構成される第２組の誘電体導波管共振器、及び前記内部導体を有するトラップ共振器用の誘電体導波管共振器で構成される。

（ｆ）前記第１組における終段の誘電体導波管共振器と前記第２組における初段の誘電体導波管共振器との間には前記主結合部が設けられている。

（ｇ）前記トラップ共振器用の誘電体導波管共振器は、前記第１組の終段の誘電体導波管共振器から１つ手前の誘電体導波管共振器と前記第２組の初段の誘電体導波管共振器から１つ後段の誘電体導波管共振器との間に設けられている。

（ｈ）前記トラップ共振器用の誘電体導波管共振器は、前記第１組の終段の誘電体導波管共振器及び前記第２組の初段の誘電体導波管共振器に結合する誘電体導波管共振器である。

また、本開示の一例としての誘電体導波管フィルタの構成を列挙すると次のとおりである。

（ａ）誘電体導波管フィルタは、複数の誘電体導波管共振器と、主結合部と、副結合部と、を備える。

（ｂ）各誘電体導波管共振器は、互いに対向する第１主面及び第２主面、並びに、前記第１主面の外縁及び前記第２主面の外縁を繋ぐ側面を有する誘電体板と、前記第１主面に形成された第１面導体と、前記第２主面に形成された第２面導体と、前記誘電体板の内部に形成され、前記第１面導体と前記第２面導体とを接続する接続導体と、をそれぞれ有する。

（ｃ）主結合部は、信号伝搬の主経路に沿って隣接する誘電体導波管共振器同士の間に設けられ、副結合部は、信号伝搬の副経路に沿って隣接する誘電体導波管共振器同士の間に設けられる。

（ｄ）前記複数の誘電体導波管共振器の一部又は全部は、前記第１主面に対して垂直方向に延びる内部導体を備える。

（ｅ）前記複数の誘電体導波管共振器は、３つ以上の誘電体導波管共振器で構成される第１組の誘電体導波管共振器、３つ以上の誘電体導波管共振器で構成される第２組の誘電体導波管共振器、及び前記内部導体を有するトラップ共振器用の誘電体導波管共振器で構成される。

（ｆ）前記第１組における終段の誘電体導波管共振器と前記第２組における初段の誘電体導波管共振器との間には前記主結合部が設けられている。

（ｇ）前記トラップ共振器用の誘電体導波管共振器は、前記第１組の終段の誘電体導波管共振器の前記内部導体、前記第２組の初段の誘電体導波管共振器の前記内部導体、前記第１組の終段の誘電体導波管共振器から１つ手前の誘電体導波管共振器の前記内部導体、及び前記第２組の初段の誘電体導波管共振器から１つ後段の誘電体導波管共振器の前記内部導体とで囲まれる位置に設けられる。

（ｈ）前記トラップ共振器用の誘電体導波管共振器は、前記第１組の終段の誘電体導波管共振器及び前記第２組の初段の誘電体導波管共振器に結合する誘電体導波管共振器である。

上記構成の誘電体導波管フィルタによれば、トラップ共振器用の誘電体導波管共振器の作用によって、通過域から減衰域にかけての減衰特性の急峻性が向上する。また、その分、誘電体導波管共振器の段数を少なくできるので、挿入損失を低減できる。

本発明によれば、少ない共振器の段数で、通過域から減衰域にかけての減衰特性を急峻にした誘電体導波管フィルタが得られる。

図１は第１の実施形態に係る誘電体導波管フィルタ１０１の内部構造を示す斜視図である。 図２は誘電体導波管フィルタ１０１の底面図である。 図３は誘電体導波管フィルタ１０１が備える９つの誘電体導波管共振器部分、誘電体導波管共振器間の主結合部及び副結合部を示す斜視図である。 図４は誘電体導波管フィルタ１０１を実装する回路基板９０の部分斜視図である。 図５（Ａ）、図５（Ｂ）は、第１の実施形態の誘電体導波管フィルタ１０１を構成する複数の共振器の結合構造を示す図である。 図６は、誘電体導波管フィルタ１０１の反射特性と通過特性の周波数特性を示す図である。 図７は、通過域より低域側の減衰域に生じる共振による特性を示す図である。 図８は、内部導体７Ｂを通る位置での誘電体導波管フィルタ１０１の部分断面図である。 図９（Ａ）、図９（Ｂ）は、第１の実施形態に係る内部導体の作用を示す図である。 図１０（Ａ）、図１０（Ｂ）は、第２の実施形態の誘電体導波管フィルタ１０２を構成する複数の共振器の結合構造を示す図である。 図１１は携帯電話基地局のブロック図である。 図１２は、第１の比較例としての誘電体導波管フィルタ１０１Ｃ１の内部構造を示す斜視図である。 図１３は誘電体導波管フィルタ１０１Ｃ１の反射特性と通過特性の周波数特性を示す図である。 図１４は、第２の比較例としての誘電体導波管フィルタ１０１Ｃ２の内部構造を示す斜視図である。 図１５は誘電体導波管フィルタ１０１Ｃ２の反射特性と通過特性の周波数特性を示す図である。

以降、図を参照して幾つかの具体的な例を挙げて、本発明を実施するための複数の形態を示す。各図中には同一箇所に同一符号を付している。要点の説明又は理解の容易性を考慮して、実施形態を説明の便宜上分けて示すが、異なる実施形態で示した構成の部分的な置換又は組み合わせは可能である。第２の実施形態以降では第１の実施形態と共通の事柄についての記述を省略し、異なる点についてのみ説明する。特に、同様の構成による同様の作用効果については実施形態毎には逐次言及しない。

《第１の実施形態》
図１は第１の実施形態に係る誘電体導波管フィルタ１０１の内部構造を示す斜視図である。図２は誘電体導波管フィルタ１０１の底面図である。また、図３は誘電体導波管フィルタ１０１が備える９つの誘電体導波管共振器部分、誘電体導波管共振器間の主結合部及び副結合部を示す斜視図である。

誘電体導波管フィルタ１０１は誘電体板１を備える。誘電体板１は例えば誘電体セラミック、水晶、樹脂等を直方体形状に加工したものである。この誘電体板１には、互いに対向する第１主面ＭＳ１及び第２主面ＭＳ２、並びに、第１主面ＭＳ１の外縁及び第２主面ＭＳ２の外縁を繋ぐ四側面ＳＳを有する。この例では、誘電体導波管フィルタ１０１のサイズは、Ｘ方向２．５ｍｍ、Ｙ方向３．２ｍｍ、Ｚ方向０．７ｍｍである。

誘電体板１の第１主面ＭＳ１寄りの層には第１面導体２１が形成されていて、誘電体板１の第２主面ＭＳ２寄りの層には第２面導体２２が形成されている。

誘電体板１の底面には入出力電極２４Ａ，２４Ｂ及びグランド電極２３が形成されている。また、誘電体板１の内部には、入出力電極２４Ａ，２４Ｂにビア導体３Ｕ，３Ｖを介して接続されるストリップ導体１６Ａ，１６Ｂが形成されている。また、誘電体板１の底面付近には、グランド電極２３を第２面導体２２に接続する複数のビア導体が形成されている。

誘電体板１には、第１面導体２１から第２面導体２２まで貫通する貫通ビア導体２Ａ～２Ｎが形成されている。

また、誘電体板１の内部には、誘電体板１の側面に沿って、第１面導体２１と第２面導体２２とを接続する貫通ビア導体９Ａ～９Ｕが形成されている。

図２、図３等に示すように、誘電体導波管フィルタ１０１は、上記第１面導体２１、第２面導体２２、貫通ビア導体９Ａ～９Ｕで囲まれる８つの誘電体導波管共振空間が形成されている。また、トラップ共振器用の１つの誘電体導波管共振空間が形成されている。図３において二点鎖線は、誘電体板１に構成される誘電体導波管共振器の区分を示す仮想上の線である。このように、誘電体導波管フィルタ１０１は、８つの誘電体導波管共振器Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４，Ｒ５，Ｒ６，Ｒ７，Ｒ８及びトラップ共振器用の誘電体導波管共振器ＲＴを備える。共振器Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４，Ｒ５，Ｒ６，Ｒ７，Ｒ８，ＲＴはいずれもＴＥ１０１モードを基本モードとする共振器である。

以降、「誘電体導波管共振器」を単に「共振器」ともいう。つまり、図３に示すＺ方向を電界方向とし、Ｘ－Ｙ面に沿った面方向に磁界が回る、電磁界分布の共振モードであり、Ｘ方向に電界強度のピークが一つ、Ｙ方向に電界強度のピークが一つ生じる。

図１、図２等に示す内部導体７Ａ～７Ｈ，７Ｔは、平面視で（Ｚ方向に視て）上記誘電体導波管共振空間内に配置されている。これら内部導体７Ａ～７Ｈ，７Ｔは、第１主面ＭＳ１に対して垂直方向に延び、第１面導体２１及び第２面導体２２のいずれにも電気的に接続されない。そのため、これら内部導体７Ａ～７Ｈ，７Ｔと第１面導体２１との間、及び内部導体７Ａ～７Ｈ，７Ｔと第２面導体２２との間にそれぞれ局部的な容量が生じる。このことは、内部導体７Ａ～７Ｈ，７Ｔが、誘電体導波管共振空間の電界方向（Ｚ方向）の間隔を部分的に狭めている、ということもできる。

上記内部導体７Ａ～７Ｈ，７Ｔにより生じる上記局部的な容量によって、共振器Ｒ１～Ｒ８，ＲＴの共振周波数の調整が可能となる。また、誘電体導波管共振空間の容量成分が増大するので、所定の共振周波数を得るための、誘電体導波管共振器のサイズを小型化できる。

上記共振器Ｒ１～Ｒ８のうち、４つの共振器Ｒ１～Ｒ４は第１組の共振器であり、４つの共振器Ｒ５～Ｒ８は第２組の共振器である。第１組における終段の共振器Ｒ４と第２組における初段の共振器Ｒ５との間には主結合部ＭＣ４５が設けられている。また、第１組の初段の共振器Ｒ１及び第２組の終段の共振器Ｒ８は入出力部の共振器である。

共振器Ｒ１－Ｒ２間には主結合部ＭＣ１２が構成されていて、共振器Ｒ２－Ｒ３間には主結合部ＭＣ２３が構成されていて、共振器Ｒ３－Ｒ４間には主結合部ＭＣ３４が構成されている。すなわち、第１組の共振器は、４つの共振器Ｒ１～Ｒ４が、主結合部を介して直列接続されている。共振器Ｒ４－Ｒ５間には上記主結合部ＭＣ４５が構成されている。また、共振器Ｒ５－Ｒ６間には主結合部ＭＣ５６が構成されていて、共振器Ｒ６－Ｒ７間には主結合部ＭＣ６７が構成されていて、共振器Ｒ７－Ｒ８間には主結合部ＭＣ７８が構成されている。すなわち、第２組の共振器は、４つの共振器Ｒ５～Ｒ８が、主結合部を介して直列接続されている。さらに、共振器Ｒ２－Ｒ７間には副結合部ＳＣ２７が構成されていて、共振器Ｒ３－Ｒ６間には副結合部ＳＣ３６が構成されている。

図２に示す貫通ビア導体２ｉは、主結合部ＭＣ１２の横方向の開口を狭め、共振器Ｒ１と共振器Ｒ２とを誘導性結合させる。同様に、貫通ビア導体２Ｌは主結合部ＭＣ７８の横方向の開口を狭め、共振器Ｒ７と共振器Ｒ８とを誘導性結合させる。また、貫通ビア導体２Ｍは、主結合部ＭＣ２３の横方向の開口を狭め、共振器Ｒ２と共振器Ｒ３とを誘導性結合させる。同様に、貫通ビア導体２Ｎは主結合部ＭＣ６７の横方向の開口を狭め、共振器Ｒ６と共振器Ｒ７とを誘導性結合させる。貫通ビア導体２Ｅ，２Ｆは副結合部ＳＣ２７の横方向の開口を狭め、共振器Ｒ２と共振器Ｒ７とを誘導性結合させる。つまり、第１組の終段の共振器Ｒ４から２つ手前の共振器Ｒ２と第２組の初段の共振器Ｒ５から２つ後段の共振器Ｒ７との間に副結合部ＳＣ２７が設けられていて、この副結合部ＳＣ２７は誘導性の副結合部である。

また、内部導体７Ｔは副結合部ＳＣ３６の縦方向の開口を狭め、共振器Ｒ３と共振器Ｒ６とを容量性結合させる。

主結合部ＭＣ３４，ＭＣ４５，ＭＣ５６については、横方向の開口が狭める貫通ビアは存在しないが、第１面導体２１，第２面導体２２及び貫通ビア導体９Ａ～９Ｕによる共振空間の大きさと、利用する共振周波数との関係で、いずれもこれらの部分で誘導性結合する。

内部導体７Ｔが形成されている空間は１つのトラップ共振器ＲＴとして作用する。このトラップ共振器ＲＴは、第１組の終段の共振器Ｒ４から１つ手前の共振器Ｒ３と第２組の初段の共振器Ｒ５から１つ後段の共振器Ｒ６との間に設けられている。

また、トラップ共振器ＲＴは、第１組の終段の共振器Ｒ４の内部導体７Ｄ、第２組の初段の共振器Ｒ５の内部導体７Ｅ、第１組の終段の共振器Ｒ４から１つ手前の共振器Ｒ３の内部導体７Ｃ及び第２組の初段の共振器Ｒ５から１つ後段の共振器Ｒ６の内部導体７Ｆとで囲まれる位置に設けられている。

第１組の終段の共振器Ｒ４の内部導体７Ｄと、第２組の初段の共振器Ｒ５の内部導体７Ｅとの間隔は、第１組の終段の共振器Ｒ４の１つ手前の共振器Ｒ３の内部導体７Ｃと第２組の初段の共振器Ｒ５の１つ後段の共振器Ｒ６の内部導体７Ｆとの間隔より狭い。このことにより、共振器Ｒ４，Ｒ５，ＲＴの電界強度の高い領域がそれぞれ近接し、トラップ共振器ＲＴは共振器Ｒ４，Ｒ５と結合する。このことは、トラップ共振器ＲＴが共振器Ｒ４，Ｒ５から分岐した共振器であるということもできる。

本実施形態では、第１組の終段の共振器Ｒ４の内部導体７Ｄと、トラップ共振器用の内部導体７Ｔとの間隔は、第２組の初段の共振器Ｒ５の内部導体７Ｅと、トラップ共振器用の内部導体７Ｔとの間隔と同じである。そのため、トラップ共振器ＲＴに対する共振器Ｒ４の結合の強さと、トラップ共振器ＲＴに対する共振器Ｒ５の結合の強さとは等しい。

なお、内部導体７Ｃ－７Ｔ間、内部導体７Ｆ－７Ｔ間がそれぞれ離れているので、つまり、共振器Ｒ３，Ｒ６とトラップ共振器ＲＴとは、電界強度の高い領域が相対的に離れているので、共振器Ｒ３，Ｒ６はトラップ共振器ＲＴとは、特には結合しない。

図４は誘電体導波管フィルタ１０１を実装する回路基板９０の部分斜視図である。回路基板９０には、グランド導体１０及び入出力用ランド１５Ａ，１５Ｂが形成されている。この回路基板９０に誘電体導波管フィルタ１０１が表面実装される状態で、誘電体導波管フィルタ１０１の入出力電極２４Ａ，２４Ｂが上記入出力用ランド１５Ａ，１５Ｂに接続され、誘電体導波管フィルタ１０１の底面に形成されているグランド電極２３が回路基板９０のグランド導体１０に接続される。

回路基板９０には、上記入出力用ランド１５Ａ，１５Ｂに繋がる、ストリップライン、マイクロストリップライン、コプレーナライン等の伝送線路が構成されている。

図１（Ｂ）等に示した誘電体板１の内部のストリップ導体１６Ａ，１６ＢにはＴＥＭモードの信号が伝搬し、このＴＥＭモードの電磁界と共振器Ｒ１，Ｒ８のＴＥ１０１モードの電磁界とが結合してモード変換される。

図５（Ａ）、図５（Ｂ）は、本実施形態の誘電体導波管フィルタ１０１を構成する複数の共振器の結合構造を示す図である。図５（Ａ）、図５（Ｂ）において、共振器Ｒ１は１段目（初段）の共振器であり、共振器Ｒ２は２段目の共振器であり、共振器Ｒ３は３段目の共振器であり、共振器Ｒ４は４段目の共振器であり、共振器Ｒ５は５段目の共振器であり、共振器Ｒ６は６段目の共振器であり、共振器Ｒ７は７段目の共振器であり、共振器Ｒ８は８段目（終段）の共振器である。図５（Ａ）、図５（Ｂ）において二重線で示す経路は主結合部であり、破線は副結合部である。また、図５（Ａ）、図５（Ｂ）において“Ｌ”は誘導性結合、“Ｃ”は容量性結合をそれぞれ表している。

既に述べたように、本実施形態の誘電体導波管フィルタ１０１においては、信号伝搬の主経路に沿って共振器Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４，Ｒ５，Ｒ６，Ｒ７，Ｒ８及び主結合部ＭＣ１２，ＭＣ２３，ＭＣ３４，ＭＣ４５，ＭＣ５６，ＭＣ６７，ＭＣ７８が配置される。主結合部ＭＣ１２，ＭＣ２３，ＭＣ３４，ＭＣ４５，ＭＣ５６，ＭＣ６７，ＭＣ７８はいずれも誘導性結合部である。また、副結合部ＳＣ２７は誘導性結合部、副結合部ＳＣ３６は容量性結合部である。この副結合部ＳＣ２７の結合は主結合部ＭＣ１２，ＭＣ２３，ＭＣ３４，ＭＣ４５，ＭＣ５６，ＭＣ６７，ＭＣ７８の結合に比べて弱い。また、副結合部ＳＣ３６の結合は主結合部ＭＣ１２，ＭＣ２３，ＭＣ３４，ＭＣ４５，ＭＣ５６，ＭＣ６７，ＭＣ７８の結合に比べて弱い。

図６は、誘電体導波管フィルタ１０１の反射特性と通過特性の周波数特性を示す図である。図６において、Ｓ１１は反射特性、Ｓ２１は通過特性である。本実施形態の誘電体導波管フィルタ１０１は、図６に表れているように、２８ＧＨｚを中心とする２８ＧＨｚ帯用の帯域通過フィルタ特性を示す。また、通過帯域より低域側に減衰極ＡＰ１，ＡＰ２が生じる。本実施形態では、通過帯域の低域側に急峻な減衰特性が得られる。

このように有極特性が現れる理由は次のとおりである。
まず、共振器の透過位相は、共振器の共振周波数より低周波数側では位相が９０°遅れ、共振周波数より高周波数側では位相が９０°進む。そして、誘導性結合と容量性結合とでは位相が反転する関係であるため、誘導性結合と容量性結合とを組み合わせると、主結合部を伝わる信号と副結合部を伝わる信号とが逆位相かつ同振幅となる周波数が存在する。この周波数に減衰極が現れる。本実施形態の誘電体導波管フィルタ１０１では、第３共振器Ｒ３と第４共振器Ｒ４とが誘導性結合し、第４共振器Ｒ４と第５共振器Ｒ５とが誘導性結合し、第５共振器Ｒ５と第６共振器Ｒ６とが誘導性結合し、第４共振器Ｒ４と第５共振器Ｒ５を飛び越して（偶数段を飛び越して）、第３共振器Ｒ３と第６共振器Ｒ６とが容量性で副結合するので、第３共振器Ｒ３から第６共振器Ｒ６までの主結合部での位相と、第３共振器Ｒ３から第６共振器Ｒ６への副結合部での位相とは、通過域の低域で反転する。つまり通過域の低域に減衰極が現れる。図６において、減衰極ＡＰ１はその減衰極である。

また、通過域の低域側の減衰域に生じる減衰極ＡＰ２は、トラップ共振器用誘電体導波管共振器ＲＴによる減衰極である。ここで、比較例としての誘電体導波管フィルタの構成及びその特性について示す。

図１２は、第１の比較例としての誘電体導波管フィルタ１０１Ｃ１の内部構造を示す斜視図である。図１に示した例とは、トラップ共振器用誘電体導波管共振器が備える内部導体７Ｔのサイズが異なる。誘電体導波管フィルタ１０１Ｃ１では、内部導体７Ｔの面状導体ＰＣの大きさが誘電体導波管フィルタ１０１の内部導体７Ｔより小さい。

図１４は、第２の比較例としての誘電体導波管フィルタ１０１Ｃ２の内部構造を示す斜視図である。図１に示した例とは異なり、トラップ共振器用誘電体導波管共振器が無い。

図１３は誘電体導波管フィルタ１０１Ｃ１の反射特性と通過特性の周波数特性を示す図である。この第１の比較例としての誘電体導波管フィルタ１０１Ｃ１では、図１３に表れているように、通過域より高域側に減衰域で減衰極ＡＰ２が生じている。これは、内部導体７Ｔにより生じる容量成分が小さくなって、トラップ共振器用誘電体導波管共振器ＲＴの共振周波数が高くなったからであると考えられる。つまり、上記減衰極ＡＰ２はトラップ共振器用誘電体導波管共振器ＲＴの共振によるものと考えられる。

また、この第１の比較例としての誘電体導波管フィルタ１０１Ｃ１では、図１３に表れているように、通過域より低域側に減衰域が生じない（消えている）。これにより、内部導体７Ｔが、低域側における位相反転作用をしていることが分かる。つまり、この第１の比較例としての誘電体導波管フィルタ１０１Ｃ１の場合、図３に示した副結合部ＳＣ３６が容量性結合しない。そのため、前述した、第３共振器Ｒ３から第６共振器Ｒ６までの主結合部での位相と、第３共振器Ｒ３から第６共振器Ｒ６への副結合部での位相とが、通過域の低域で反転する現象が生じない。このことから、内部導体７Ｔは、第３共振器Ｒ３と第６共振器Ｒ６とを容量性結合させることに寄与していると考えられる。

図１５は第２の比較例としての誘電体導波管フィルタ１０１Ｃ２の反射特性と通過特性の周波数特性を示す図である。この第２の比較例としての誘電体導波管フィルタ１０１Ｃ２では、通過域の低域側にも高域側にも減衰極が無い。これは上記トラップ共振器による減衰極が生じないことと、内部導体７Ｔによる、第３共振器Ｒ３と第６共振器Ｒ６との容量性結合も生じ無いからである。

上記比較例としての誘電体導波管フィルタに比べて、本実施形態の誘電体導波管フィルタによれば、図６に表れているように、通過域より低域側に減衰極ＡＰ１が生じて低域側の減衰量が大きく、また、通過域から低域側へのスロープに減衰極ＡＰ２が生じて、通過域から低域側の減衰極への急峻性が向上している。

図７は、通過域より低域側の減衰域に生じる共振による特性を示す図である。この例では、約１９ＧＨｚで共振のピークが生じている。これは容量性結合の結合部で生じる不要共振による応答であると考えられるが、そのピークは－５０ｄＢ以下という特性を満足している。

図８は、内部導体７Ｂを通る位置での誘電体導波管フィルタ１０１の部分断面図である。誘電体板１は誘電体層１Ａ，１Ｂ，１Ｃの積層体である。内部導体７Ｂは、誘電体層１Ｂに設けられた中実の円柱状のビア導体であり、内部導体７Ｂと第１面導体２１との間に誘電体層１Ａが存在し、内部導体７Ｂと第２面導体２２との間に誘電体層１Ｃが存在する。つまり、内部導体７Ｂは複数の誘電体層１Ａ，１Ｂ，１Ｃのうちの内層の誘電体層１Ｂに形成された導体である。このように、誘電体板１を多層基板で構成することにより、誘電体板１への内部導体７Ｂの形成が容易となる。

内部導体７Ｂは、第１面導体２１に平行に対向する面状導体ＰＣ及び第２面導体２２に平行に対向する面状導体ＰＣを有する。面状導体ＰＣは例えば銅膜による導体パターンである。このように面状導体ＰＣを設けることによって、ビア導体の径が細くても、内部導体７Ｂと第１面導体２１との間、及び内部導体７Ｂと第２面導体との間に生じる局部的な容量を容易に大きくできる。さらに、この面状導体ＰＣの面積によって上記容量を所定値に容易に設定できる。また、面状導体ＰＣの面積によっても上記容量を定めることができるので、誘電体層１Ｂの厚み寸法の影響を受けずに所定の容量に定めることができる。

第１面導体２１と内部導体７Ｂとの間の誘電体層１Ａ、及び、第２面導体２２と内部導体７Ｂとの間の誘電体層１Ｃの誘電率は、他の領域にある誘電体（誘電体層１Ｂ）の誘電率より高い。

誘電体導波管共振空間では、第１面導体２１及び第２面導体２２に沿った方向に電界が向く（つまり、第１面導体２１及び第２面導体２２に対する垂直方向（Ｚ方向）に磁界が回る）寄生共振モードも生じる場合がある。この寄生共振モードの電界の主要部は、電界分布の中央である誘電体層１Ｂを通るので、誘電体層１Ａ，１Ｃの誘電率が高くても寄生共振モードの共振周波数はあまり低下しない。これに対して、ＴＥ１０１モードの電界は第１面導体２１及び第２面導体２２に対する垂直方向（Ｚ方向）を向くので、誘電体層１Ａ，１Ｃの誘電率が高くなることに伴って共振周波数は低下する。換言すると、誘電体層１Ａ，１Ｃの誘電率を誘電体層１Ｂの誘電率より高くすることで、ＴＥ１０１モードの共振周波数を寄生共振モードの共振周波数から効果的に離すことができる。このことにより、寄生共振の影響を避けることができる。

図８では内部導体７Ｂについて示したが、他の内部導体７Ａ～７Ｈ，７Ｔについても同様である。

図９（Ａ）、図９（Ｂ）は、本実施形態に係る内部導体の作用を示す図である。図９（Ａ）は、シミュレーション用の内部導体７の電流密度の分布を示す図であり、図９（Ｂ）は比較例としてのシミュレーション用の導体７Ｐの電流密度の分布を示す図である。この比較例としての誘電体導波管フィルタでは、導体７Ｐの一端を第１面導体２１に導通させている。

本実施形態によれば、内部導体７は第１面導体２１及び第２面導体２２から分離されているので、つまり、直流的には第１面導体２１及び第２面導体２２の電位から浮いているので、内部導体７での電流集中が緩い（電流集中部が分散される）。そのため、Ｑ値の高い誘電体導波管共振器が得られる。

ここで、Ｑ値の向上例を示す。シミュレーションに用いた誘電体板は比誘電率がεｒ＝８．５のＬＴＣＣ（低温焼成セラミックス）で、第１面導体２１及び第２面導体２２のサイズを１．６ｍｍ×１．６ｍｍとし、第１面導体２１と第２面導体２２との間隔を０．５５ｍｍとしたとき、ＴＥ１０１モードの共振周波数は４５．４ＧＨｚ、無負荷Ｑ（以下「Ｑｏ」）は３５０である。この誘電体導波管共振空間に、図９（Ｂ）に示した比較例の導体７Ｐを設けて、共振周波数を３８．６ＧＨｚにしたとき、Ｑｏは３２０である。一方、図９（Ａ）に示した本実施形態の内部導体７を設けて、共振周波数を３８．６ＧＨｚにしたとき、Ｑｏは３４９である。つまり、比較例の導体７Ｐを設けた誘電体導波管共振器に比べると、Ｑｏは約８％改善される。また、本実施形態の内部導体７を設けることによるＱｏの低下は０．３％程度と極僅かである。

《第２の実施形態》
第２の実施形態では、第１の実施形態で示した誘電体導波管フィルタとは共振器の段数が異なる誘電体導波管フィルタについて示す。

図１０（Ａ）、図１０（Ｂ）は、第２の実施形態の誘電体導波管フィルタ１０２を構成する複数の共振器の結合構造を示す図である。図１０（Ａ）、図１０（Ｂ）において、共振器Ｒ１は１段目（初段）の共振器であり、共振器Ｒ２は２段目の共振器であり、共振器Ｒ３は３段目の共振器であり、共振器Ｒ４は４段目の共振器であり、共振器Ｒ５は５段目の共振器であり、共振器Ｒ６は６段目（終段）の共振器である。図１０（Ａ）、図１０（Ｂ）において二重線で示す経路は主結合部であり、破線は副結合部である。また、図１０（Ａ）、図１０（Ｂ）において“Ｌ”は誘導性結合、“Ｃ”は容量性結合をそれぞれ表している。

本実施形態の誘電体導波管フィルタ１０２においては、信号伝搬の主経路に沿って共振器Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４，Ｒ５，Ｒ６及び主結合部ＭＣ１２，ＭＣ２３，ＭＣ３４，ＭＣ４５，ＭＣ５６が配置される。主結合部ＭＣ１２，ＭＣ２３，ＭＣ３４，ＭＣ４５，ＭＣ５６はいずれも誘導性結合部である。また、副結合部ＳＣ１２は誘導性結合部、副結合部ＳＣ２５は容量性結合部である。この副結合部ＳＣ１２，ＳＣ２５の結合はいずれも、主結合部ＭＣ１２，ＭＣ２３，ＭＣ３４，ＭＣ４５，ＭＣ５６の結合に比べて弱い。

本実施形態の誘電体導波管フィルタ１０２は、第１の実施形態で示した誘電体導波管フィルタ１０１の初段の共振器Ｒ１と終段の共振器Ｒ８を無くして、主経路に沿った共振器の段数を６段にしたものと言うことができる。このように６段の誘電体導波管フィルタについても、トラップ共振器ＲＴを設けることで、第１の実施形態で示した特性と同様の特性が得られる。

《第３の実施形態》
第３の実施形態では、誘電体導波管フィルタが適用される携帯電話基地局の例について示す。

図１１は携帯電話基地局のブロック図である。携帯電話基地局の回路には、ＦＰＧＡ１２１、ＤＡコンバータ１２２、帯域通過フィルタ１２３、１２６，１３１、シングルミキサー１２５、局部発振器１２４、アッテネータ１２７、アンプ１２８、パワーアンプ１２９、検波器１３０、及びアンテナ１３２を備える。

上記ＦＰＧＡ１２１は、変調済みのデジタル信号を発生する。ＤＡコンバータ１２２は変調済みのデジタル信号をアナログ信号に変換する。帯域通過フィルタ１２３はベースバンドの周波数帯域の信号を通過させ、それ以外の周波数帯の信号を除去する。シングルミキサー１２５は、帯域通過フィルタ１２３の出力信号と局部発振器１２４の発振信号とを混合してアップコンバートする。帯域通過フィルタ１２６はアップコンバートにより生じる不要周波数帯を除去する。アッテネータ１２７は送信波の強度を調整し、アンプ１２８は送信波を前段増幅する。パワーアンプ１２９は送信波を電力増幅して、帯域通過フィルタ１３１を介してアンテナ１３２から送信波を送信する。帯域通過フィルタ１３１は送信周波数帯の送信波を通過させる。検波器１３０は送信電力を検出する。

このような携帯電話基地局において、送信波の周波数帯域を通過させる帯域通過フィルタ１２６，１３１に、第１の実施形態又は第２の実施形態で示した誘電体導波管フィルタを用いることができる。

最後に、上述の実施形態の説明は、すべての点で例示であって、制限的なものではない。当業者にとって変形及び変更が適宜可能である。本発明の範囲は、上述の実施形態ではなく、特許請求の範囲によって示される。さらに、本発明の範囲には、特許請求の範囲内と均等の範囲内での実施形態からの変更が含まれる。

例えば、以上に示した例では、中実の円柱状のビア導体で内部導体を形成したが、内部導体は、例えば中空の円筒状等の筒状のビア導体であってもよい。

また、図１等では、誘電体導波管フィルタ内の全部の誘電体導波管共振器が内部導体を有する例を示したが、内部導体を設けない誘電体導波管共振器を含んでいてもよい。

また、図１等に示した例では、第１面導体２１と第２面導体２２とを接続する貫通ビア導体９Ａ～９Ｖで、本発明に係る「接続導体」を構成したが、誘電体板の側面に導体膜を形成することで「接続導体」を構成してもよい。

ＭＣ１２，ＭＣ２３，ＭＣ３４，ＭＣ４５，ＭＣ５６，ＭＣ６７，ＭＣ７８…主結合部
ＭＳ１…第１主面
ＭＳ２…第２主面
ＰＣ…面状導体
Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４，Ｒ５，Ｒ６，Ｒ７，Ｒ８…誘電体導波管共振器
ＲＴ…トラップ共振器用誘電体導波管共振器
ＳＣ１２，ＳＣ２５，ＳＣ２７，ＳＣ３６…副結合部
ＳＳ…四側面
１…誘電体板
１Ａ，１Ｂ，１Ｃ…誘電体層
２Ａ～２Ｎ…貫通ビア導体
３Ｕ，３Ｖ…ビア導体
７，７Ａ～７Ｆ，７Ｔ…内部導体
９Ａ～９Ｕ…貫通ビア導体
１０…グランド導体
１５Ａ，１５Ｂ…入出力用ランド
１６Ａ，１６Ｂ…ストリップ導体
２１…第１面導体
２２…第２面導体
２３…グランド電極
２４Ａ，２４Ｂ…入出力電極
９０…回路基板
１０１，１０２…誘電体導波管フィルタ
１２１…ＦＰＧＡ
１２２…ＤＡコンバータ
１２３…帯域通過フィルタ
１２４…局部発振器
１２５…シングルミキサー
１２６，１３１…帯域通過フィルタ
１２７…アッテネータ
１２８…アンプ
１２９…パワーアンプ
１３０…検波器
１３１…帯域通過フィルタ
１３２…アンテナ

Claims (14)

1. 互いに対向する第１主面及び第２主面、並びに、前記第１主面の外縁及び前記第２主面の外縁を繋ぐ側面を有する誘電体板と、前記第１主面に形成された第１面導体と、前記第２主面に形成された第２面導体と、前記誘電体板の内部に形成され、前記第１面導体と前記第２面導体とを接続する接続導体と、をそれぞれ有する複数の誘電体導波管共振器と、
   信号伝搬の主経路に沿って隣接する誘電体導波管共振器同士の間に設けられた主結合部と、
   信号伝搬の副経路に沿って隣接する誘電体導波管共振器同士の間に設けられた副結合部と、
   を備える、誘電体導波管フィルタにおいて、
   前記複数の誘電体導波管共振器の一部又は全部は、前記第１主面に対して垂直方向に延びる内部導体を備え、
   前記複数の誘電体導波管共振器は、３つ以上の誘電体導波管共振器で構成される第１組の誘電体導波管共振器、３つ以上の誘電体導波管共振器で構成される第２組の誘電体導波管共振器、及び前記内部導体を有するトラップ共振器用の誘電体導波管共振器で構成され、
   前記第１組の終段の誘電体導波管共振器と前記第２組の初段の誘電体導波管共振器との間に前記主結合部が設けられていて、
   前記トラップ共振器用の誘電体導波管共振器は、前記第１組の終段の誘電体導波管共振器から１つ手前の誘電体導波管共振器と前記第２組の初段の誘電体導波管共振器から１つ後段の誘電体導波管共振器との間に設けられ、
   前記トラップ共振器用の誘電体導波管共振器は、前記第１組の終段の誘電体導波管共振器及び前記第２組の初段の誘電体導波管共振器に結合する誘電体導波管共振器である、
   誘電体導波管フィルタ。
2. 互いに対向する第１主面及び第２主面、並びに、前記第１主面の外縁及び前記第２主面の外縁を繋ぐ側面を有する誘電体板と、前記第１主面に形成された第１面導体と、前記第２主面に形成された第２面導体と、前記誘電体板の内部に形成され、前記第１面導体と前記第２面導体とを接続する接続導体と、をそれぞれ有する複数の誘電体導波管共振器と、
   信号伝搬の主経路に沿って隣接する誘電体導波管共振器同士の間に設けられた主結合部と、
   信号伝搬の副経路に沿って隣接する誘電体導波管共振器同士の間に設けられた副結合部と、
   を備える、誘電体導波管フィルタにおいて、
   前記複数の誘電体導波管共振器の一部又は全部は、前記第１主面に対して垂直方向に延びる内部導体を備え、
   前記複数の誘電体導波管共振器は、３つ以上の誘電体導波管共振器で構成される第１組の誘電体導波管共振器、３つ以上の誘電体導波管共振器で構成される第２組の誘電体導波管共振器、及び前記内部導体を有するトラップ共振器用の誘電体導波管共振器で構成され、
   前記第１組の終段の誘電体導波管共振器と前記第２組の初段の誘電体導波管共振器との間に前記主結合部が設けられていて、
   前記トラップ共振器用の誘電体導波管共振器は、前記第１組の終段の誘電体導波管共振器の前記内部導体、前記第２組の初段の誘電体導波管共振器の前記内部導体、前記第１組の終段の誘電体導波管共振器から１つ手前の誘電体導波管共振器の前記内部導体、及び前記第２組の初段の誘電体導波管共振器から１つ後段の誘電体導波管共振器の前記内部導体とで囲まれる位置に設けられ、
   前記トラップ共振器用の誘電体導波管共振器は、前記第１組の終段の誘電体導波管共振器及び前記第２組の初段の誘電体導波管共振器に結合する誘電体導波管共振器である、
   誘電体導波管フィルタ。
3. 前記トラップ共振器用の誘電体導波管共振器が有する前記内部導体は、前記第１組の終段の誘電体導波管共振器から１つ手前の誘電体導波管共振器と前記第２組の初段の誘電体導波管共振器から１つ後段の誘電体導波管共振器との間に容量性結合部を構成する、
   請求項１又は２に記載の誘電体導波管フィルタ。
4. 前記第１組の終段の誘電体導波管共振器の前記内部導体と、前記第２組の初段の誘電体導波管共振器の前記内部導体との間隔は、前記第１組の終段の誘電体導波管共振器の１つ手前の誘電体導波管共振器の前記内部導体と前記第２組の初段の誘電体導波管共振器の１つ後段の誘電体導波管共振器の前記内部導体との間隔より狭い、
   請求項１から３のいずれかに記載の誘電体導波管フィルタ。
5. 前記第１組の終段の誘電体導波管共振器の前記内部導体と、前記トラップ共振器用の前記内部導体との間隔は、前記第２組の初段の誘電体導波管共振器の前記内部導体と、前記トラップ共振器用の前記内部導体との間隔と同じである、
   請求項４に記載の誘電体導波管フィルタ。
6. 前記第１組の終段の誘電体導波管共振器から２つ手前の誘電体導波管共振器と前記第２組の初段の誘電体導波管共振器から２つ後段の誘電体導波管共振器との間に前記副結合部が設けられていて、当該副結合部は誘導性の副結合部である、
   請求項１から５のいずれかに記載の誘電体導波管フィルタ。
7. 前記誘電体導波管共振器の主共振モードは、前記第１面導体と前記第２面導体との間に電界が向くＴＥモードである、
   請求項１から６のいずれかに記載の誘電体導波管フィルタ。
8. 前記接続導体は、前記誘電体板の側面に形成された導体膜又は前記誘電体板を貫通する貫通ビア導体である、
   請求項１から７のいずれかに記載の誘電体導波管フィルタ。
9. 前記内部導体は、前記第１面導体及び前記第２面導体のいずれにも電気的に接続されない導体である、
   請求項１から８のいずれかに記載の誘電体導波管フィルタ。
10. 前記内部導体と前記第１面導体の間、及び前記内部導体と前記第２面導体の間に、誘電体が設けられている、
    請求項９に記載の誘電体導波管フィルタ。
11. 前記誘電体板の内部に空間を有し、前記内部導体は、前記空間の内部に充填された導体、又は前記空間の内面に形成された導体である、
    請求項９又は１０に記載の誘電体導波管フィルタ。
12. 前記内部導体は、柱状又は筒状の導体である、
    請求項９又は１０に記載の誘電体導波管フィルタ。
13. 前記内部導体は、前記第１面導体に平行に対向する面状導体又は前記第２面導体に平行に対向する面状導体の少なくとも一方を有する、
    請求項９から１２のいずれかに記載の誘電体導波管フィルタ。
14. 前記第１面導体と前記内部導体との間の領域、及び、前記第２面導体と前記内部導体との間の領域の少なくとも一方にある誘電体の誘電率は、他の領域にある誘電体の誘電率より高い、
    請求項９から１３のいずれかに記載の誘電体導波管フィルタ。

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