JP7345952B2 - Ｌ字形スタブを付加したｈｍｃｓｉｗデュアルバンドパスフィルタ - Google Patents

Description

本発明は、マイクロ波技術の分野に属し、具体的には、Ｌ字形スタブを付加したＨＭＣＳＩＷデュアルバンドパスフィルタに関し、特にソースと負荷が結合されたデュアルバンドパスフィルタに関するものである。

現代の通信技術の絶え間ない発展は、通信回路の様々な指標に対してますます高い要求を提示しており、方形導波路やマイクロストリップラインなどの従来のマイクロ波回路は、将来の新しいマイクロ波回路に対する人々の期待に応えることは困難であるため、伝送性能が高く、構造がシンプルでコンパクトな新しいマイクロ波回路を研究することは非常に意義がある。ＳＩＷ（基板集積導波路）は新しい導波路構造として、近年マイクロ波回路に広く使用されているが、金属の穴あけ加工が必要なため、金属穴径が小さいと、加工にばらつきが生じやすく、ＳＩＷデバイスの精度に大きな影響を与える。ＣＳＩＷ（櫛状線基板集積導波路）は、ＳＩＷから派生したものであり、ＳＩＷの特性をほとんど継承しており、その１／４波長開回路櫛状線を使用して、ＳＩＷにおけるメタライズビアの加工が困難であり、能動デバイスと集積できないという困難を克服し、マイクロ波素子の適用範囲をさらに広げる。

現代の無線通信では、様々な通信プロトコルが次々と登場し、限られた周波数スペクトル資源が極めて貴重であることから、周波数スペクトル利用率の向上が急務となっている。学者たちは、単一の周波数帯域でしか動作できない既存の通信システムを改善して、異なる周波数帯域で動作できるようにし、さらに、小型化、低損失、低コスト、集積しやすいデュアルチャネルまたはマルチチャネルのマイクロ波デバイスは研究のホットスポットとなり、フィルタはその一つである。

近年、ＣＳＩＷに基づくアンテナが数多く登場しているが、結合回路、特にデュアルバンドパスフィルタに関する研究は極めて少ない。デュアルパスバンドを実現するには、周波数帯域分離のために伝送ゼロ点を導入することができる。伝送ゼロ点の取得は、それぞれソースと負荷との結合または非隣接共振器間の交差結合によって実現されるが、これらの方法はすべて特殊なトポロジ構造を導入するため、これらのフィルタの設計プロセスでは、構造が複雑すぎるか、加工コストが高すぎることになる。そのため、構造がシンプルかつコンパクトで、加工が容易なデュアルバンドパスフィルタが検討すべき課題である。

上記の技術的問題を解決するために、本発明は、Ｌ字形スタブを付加したＨＭＣＳＩＷデュアルバンドパスフィルタを提供し、伝送ゼロ点を導入することにより、周波数帯域分離を実現し、最終的にデュアルバンドパスフィルタを形成し、これは、ＨＭＣＳＩＷを使用してデュアルバンドパスフィルタを設計する業界での試みである。

上記の目的を達成するために、本発明は、以下の技術的手段によって達成される。

本発明は、Ｕ字形スロット摂動とＬ字形スタブを使用して、ソースと負荷を結合し、デュアルパスバンドのＨＭＣＳＩＷフィルタを実現し、帯域外特性をさらに最適化するために、勾配矩形溝を導入して、阻止帯域の帯域幅を広げる、Ｌ字形スタブを付加したＨＭＣＳＩＷデュアルバンドパスフィルタである。

本発明のＨＭＣＳＩＷデュアルバンドパスフィルタは、ＨＭＣＳＩＷを基本伝送線路としており、誘電体基板と、誘電体基板の上面に設置されたトップメタル層と、前記誘電体基板の下面に設置されたボトムメタル層とを含む。

誘電体基板の上下面に、周期的な１／４波長櫛状スタブが配列され、さらに２本のマイクロストリップラインが設置され、２本のマイクロストリップラインは、それぞれ台形遷移構造を介してＨＭＣＳＩＷ導波路に接続され、それぞれ入力ポートと出力ポートとする。

誘電体基板のトップメタル層に複数のＵ字形スロットをエッチングして、広帯域のマザーフィルタを実現し、トップメタル層の広い辺に２本のＬ字形オープンスタブを付加し、２本のＬ字形オープンスタブ間の結合間隔は０．２～０．４ｍｍの間で調整され、ソースと負荷を結合し、伝送ゼロ点を生成し、周波数帯域分離を実現し、２本のＬ字形オープンスタブ間の距離は伝送ゼロ点を生成するために用いられる。

誘電体基板のボトムメタル層に、それぞれ入力ポートと出力ポートの遷移領域に位置する２組の勾配矩形溝をエッチングして、阻止帯域の帯域幅を広げる。

本発明のさらなる改良として、各Ｌ字形オープンスタブの長さが１８～２０ｍｍ、各Ｌ字形オープンスタブの幅が４～５ｍｍであり、Ｌ字形オープンスタブのサイズ及び２本のＬ字形オープンスタブ間の距離は、ソースと負荷の結合効果に影響を与え、それによって、伝送ゼロ点の位置に影響を与え、前記Ｕ字形ＥＢＧ構造では、各前記Ｕ字形ＥＢＧ構造の溝高さは３～４ｍｍ、溝幅は１～３ｍｍ、溝ギャップ幅は０．１～０．３ｍｍである。Ｕ字形スロット、すなわち、ＥＢＧのサイズ及び周期は必要に応じて決定されるが、Ｕ字形スロットのサイズ及び隣接するＵ字形スロット間の距離は、マザーフィルタの性能に影響を与える。

本発明のさらなる改良として、各前記マイクロストリップラインのインピーダンスが５０オームである。

本発明は、以下の有益な効果を有する。本発明では、まず、ＨＭＣＳＩＷの上面に３つのＵ字形スロットを導入して、広帯域のマザーフィルタを実現し、次に、２つのＬ字形スタブを介してソースと負荷を結合して、伝送ゼロ点を生成し、マザーパスバンドを２つのサブパスバンドに分割し、最終的にデュアルバンドパスフィルタを構築する。このプロセスでは、給電部に勾配溝を付加することにより、阻止帯域の帯域幅を広げ、前記デュアルバンドパスフィルタの帯域外抑制性能をさらに最適化し、所望の結果が得られる。

本発明は、新規な構造、コンパクトなサイズ、簡単な加工などの特徴を有する。

本発明のＨＭＣＳＩＷマザーフィルタの構造を示す概略上面図である。 本発明のＬ字形スタブを付加したＨＭＣＳＩＷデュアルバンドパスフィルタの概略構造図である。 本発明のＬ字形スタブを付加したＨＭＣＳＩＷデュアルバンドパスフィルタの３次元解析概略図である。 本発明のＬ字形スタブを付加したＨＭＣＳＩＷデュアルバンドパスフィルタのＳパラメータのミュレーション結果図である。 勾配矩形溝を付加する場合と付加しない場合の本発明のＨＭＣＳＩＷデュアルバンドパスフィルタのＳパラメータの曲線比較図である。 勾配矩形溝を付加する場合と付加しない場合の本発明のＨＭＣＳＩＷデュアルバンドパスフィルタのＳパラメータの曲線比較図である。

以下、本発明の実施形態を図面により開示するが、説明を明確にするために、多くの実務上の詳細は以下で併せて説明する。しかし、これらの実務上の詳細は、本発明を限定するために使用されるべきではないことを理解されたい。すなわち、本発明の一部の実施形態では、これらの実務上の詳細は必要ではない。

本発明では、周波数帯域分離技術を採用してデュアルパスバンドを実現する、Ｌ字形スタブを付加したＨＭＣＳＩＷデュアルバンドパスフィルタを開示する。まず、広帯域のマザーフィルタを設計し、次に、Ｌ字形オープンスタブを導入し、ソースと負荷を結合し、伝送ゼロ点を生成し、マザーパスバンドを２つのサブパスバンドに分割することで、デュアルパスバンドを形成する。各前記Ｌ字形オープンスタブ４の長さは１８～２０ｍｍ、各前記Ｌ字形オープンスタブ４の幅は４～５ｍｍであり、２本の前記Ｌ字形オープンスタブ４間の結合間隔は０．２～０．４ｍｍの間で調整して、伝送ゼロ点の位置を決定する。さらに、性能を向上させるために、マイクロストリップがＨＭＣＳＩＷに接続される遷移領域に、勾配矩形構造をエッチングすることで、２つの遷移領域を組み合わせて小型化を実現し、より効率的なモード変換を実現でき、ＨＭＣＳＩＷデュアルバンドパスフィルタの性能を向上させる役割を果たす。

広帯域のマザーフィルタは、主にＨＭＣＳＩＷ構造と３つのＵ字形ＥＢＧで構成され、その構造は図１に示され、ＨＭＣＳＩＷのトップメタル層５に、３つの対称的なＵ字形溝をエッチングし、Ｕ字形溝を利用して伝送ゼロ点を生成し、最終的に超広帯域フィルタを形成する。Ｕ字形溝の周期は５ｍｍ、各前記Ｕ字形ＥＢＧ構造２の溝高さは３～４ｍｍ、溝幅は１～３ｍｍ、溝ギャップ幅は０．１～０．３ｍｍである。

その後、ソースと負荷の結合構造を導入する。Ｌ字形オープンスタブのマイクロストリップラインを採用してソースと負荷の結合を実現し、具体的な実現方式としては、入力ポートと出力ポートの近くに、２本のＬ字形オープンスタブをそれぞれ導入し、中間にスロットを設けて、最終的に結合経路を実現するものである。この方法により、結合の強度を柔軟に制御して、複数の伝送ゼロ点を生成することができる。本実験で提案したデュアルバンドパスフィルタは、２つの給電端、すなわち、マイクロストリップライン８を直接接続することで、ソースと負荷の結合を実現するため、構造が比較的シンプルかつコンパクトであり、加工が容易になる。２本のＬ字形オープンスタブは、デュアルパスバンドを実現するための鍵であり、モデル構造に従ってモデル化・分析する。

全体平面構造は図２に示され、主に、入出力給電構造、勾配矩形溝、３つのＵ字形溝、２本のＬ字形オープンスタブ、及びＨＭＣＳＩＷを含む。前記フィルタの設計は、フルモードＣＳＩＷ構造から始まり、給電口は５０のマイクロストリップライン８で構成される。マイクロストリップラインからＨＭＣＳＩＷに至る台形遷移領域に、勾配矩形溝をエッチングすることで、インピーダンス整合が向上する。ＤＧＳは、電磁波に対して一定の拘束を持ち、遷移帯域の長さをある程度縮小できる遅波構造であり、Ｕ字形溝は、広帯域のフィルタを構築するために用いられ、２本のＬ字形オープンスタブによってソースと負荷を結合し、伝送ゼロ点を導入し、マザーパスバンドを２つのサブパスバンドに分割し、最終的にデュアルバンドパスフィルタを実現する。具体的な立体構造は図３に示され、図中の上下の黒い面が金属層、中間の白い部分が誘電体基板を示し、前記誘電体基板６の上下面に周期的な１／４波長櫛状スタブが配列され、その間の間隔は必要に応じて決定される。

以下、具体的な実施例により、本発明の技術的手段についてさらに詳細に説明する。

本発明の実施例において使用される基板は、誘電率２．２、厚さ０．５０８ミリメートル、損失正接０．０００９のＲｏｇｅｒｓ（ＲＴ／Ｄｕｒｉｏｄ）５８８０であり、２本のマイクロストリップラインのインピーダンスは５０オームであり、これら２本のマイクロストリップラインは、それぞれフィルタの入力端と出力端となる。

実施例１
ＨＦＳＳを使用して上記で設計した構造をモデル化・シミュレーションし、図４には、前記ＨＭＣＳＩＷデュアルバンドパスフィルタのＳパラメータのシミュレーション結果が示される。Ｌ字形オープンスタブの導入により、本来のマザーパスバンドの１１．４５ＧＨｚの位置に伝送ゼロ点が生成され、２つのサブパスバンドに分割されるとともに、マザーフィルタの５つの共振点は２つのサブパスバンドに割り当てられ、第１パスバンドに３つの共振点、第２パスバンドに２つの共振点がある。本実験で設計されたデュアルバンドパスフィルタの第１パスバンドは８．０８ＧＨｚ～１０．５４ＧＨｚの範囲、中心周波数は９．４ＧＨｚ、相対帯域幅は約２６．２％であり、第２パスバンドは１２．１ＧＨｚ～１３．６ＧＨｚの範囲、中心周波数は１２．８ＧＨｚ、相対帯域幅は約１１．７％である。２つのパスバンドのリターンロスは１２ｄＢよりも優れており、挿入損失は１．５ｄＢよりも優れており、性能が良好である。

図５、６には、勾配矩形溝を付加する場合と付加しない場合のデュアルバンドパスフィルタのＳパラメータの比較が示され、勾配溝を付加したフィルタは、第１パスバンドの低周波数での帯域外信号がよりよく抑制される。これは、ＤＧＳが単極阻止帯域特性を備え、特定の周波数点で共振が発生することで、より良い帯域外抑制特性が得られ、フィルタ全体の性能が最適化されるためである。

本発明では、周波数帯域分離構造を使用して、まず、広帯域のマザーフィルタを設計し、次に、２つのＬ字形スタブを介してソースと負荷を結合して、伝送ゼロ点を生成し、マザーパスバンドを２つのサブパスバンドに分割し、最終的にデュアルバンドパスフィルタを構築する。このプロセスでは、給電部に勾配溝を付加することで、ＤＧＳの単極阻止帯域特性を利用して、阻止帯域の帯域幅を広げ、前記フィルタの帯域外抑制特性をさらに最適化する。

本発明は、新規な構造を有し、加工が容易で、性能が良好である。

上記の説明は、本発明の実施形態に過ぎず、本発明を限定することを意図するものではない。当業者にとって、本発明は様々な変更や変形が可能である。本発明の精神及び原理の範囲内で行われたいかなる修正、均等置換、改良などは、本発明の特許請求の範囲内に含まれるものとする。

１－櫛状スタブ、２－Ｕ字形ＥＢＧ構造、３－勾配矩形溝、４－Ｌ字形オープンスタブ、５－トップメタル層、６－誘電体基板、７－ボトムメタル層、８－マイクロストリップライン。

Claims (7)

1. Ｌ字形スタブを付加したＨＭＣＳＩＷデュアルバンドパスフィルタであって、
   ＨＭＣＳＩＷを基本伝送線路とし、誘電体基板（６）と、前記誘電体基板（６）の上面に設置されたトップメタル層（５）と、前記誘電体基板（６）の下面に設置されたボトムメタル層（７）とを含み、
   前記トップメタル層（５）の櫛状スタブから離れる側に複数のＵ字形ＥＢＧ構造をエッチングして、広帯域のマザーフィルタを実現し、前記トップメタル層（５）の櫛状スタブから離れる広い辺に２本のＬ字形オープンスタブ（４）を付加し、
   前記誘電体基板（６）の上面に、それぞれフィルタの入力端と出力端となる２本のマイクロストリップライン（８）が設置され、２本のマイクロストリップライン（８）は、それぞれ台形遷移構造を介してＨＭＣＳＩＷに接続され、入力端と出力端の近くに２本のＬ字形オープンスタブ（４）をそれぞれ導入し、２本のＬ字形オープンスタブ（４）の間に、伝送ゼロ点を生成するための距離が存在し、２本の前記Ｌ字形オープンスタブ（４）間の結合間隔は０．２～０．４ｍｍの間で調整される、Ｌ字形スタブを付加したＨＭＣＳＩＷデュアルバンドパスフィルタ。
2. 前記誘電体基板（６）のボトムメタル層（７）における給電口に近い位置に、勾配矩形溝（３）がエッチングされることを特徴とする、請求項１に記載のＬ字形スタブを付加したＨＭＣＳＩＷデュアルバンドパスフィルタ。
3. 各前記Ｌ字形オープンスタブ（４）の長さは１８～２０ｍｍ、各前記Ｌ字形オープンスタブ（４）の幅は４～５ｍｍであることを特徴とする、請求項１に記載のＬ字形スタブを付加したＨＭＣＳＩＷデュアルバンドパスフィルタ。
4. 前記Ｕ字形ＥＢＧ構造（２）では、各前記Ｕ字形ＥＢＧ構造（２）の溝高さは３～４ｍｍ、溝幅は１～３ｍｍ、溝ギャップ幅は０．１～０．３ｍｍであることを特徴とする、請求項１に記載のＬ字形スタブを付加したＨＭＣＳＩＷデュアルバンドパスフィルタ。
5. 前記Ｕ字形ＥＢＧ構造（２）の数は３つであることを特徴とする、請求項４に記載のＬ字形スタブを付加したＨＭＣＳＩＷデュアルバンドパスフィルタ。
6. 各前記マイクロストリップラインのインピーダンスは５０オームであることを特徴とする、請求項１に記載のＬ字形スタブを付加したＨＭＣＳＩＷデュアルバンドパスフィルタ。
7. 前記誘電体基板（６）の上下面に、周期的な１／４波長櫛状スタブ（１）が配列されていることを特徴とする、請求項１に記載のＬ字形スタブを付加したＨＭＣＳＩＷデュアルバンドパスフィルタ。