JP7425717B2 - フィルタ及び無線送信装置 - Google Patents

Description

本発明の一実施形態は、フィルタ及び無線送信装置に関する。

第５世代移動通信システム（以下、５Ｇと略する）の高速無線通信が急速に普及することが予想されている。５Ｇで使用する周波数帯域の近くには、他の目的に割り当てられた周波数帯域があるため、５Ｇの無線信号が干渉を引き起こさないようにする必要がある。

５Ｇ用の無線通信装置に帯域通過フィルタを設けることで、アンテナから送信される電波の周波数帯域を制限することができるが、５Ｇの周波数帯域は広いため、周波数の遮断特性が急峻な帯域通過フィルタを作製するのは難しいという問題がある。

また、５Ｇでは、１例として基板上に平板状の複数のパッチアンテナを配置したアンテナを使用することを想定しているため、パッチアンテナのサイズに見合う小型のフィルタが求められている。

特開平１１－２７４８１７号公報

そこで、本発明の一実施形態では、遮断特性に優れて、小型化も可能なフィルタ及び無線送信装置を提供するものである。

上記の課題を解決するために、本発明の一実施形態によれば、誘電体基板と、
前記誘電体基板の対向する二面に配置される第１導電層及び第２導電層と、
前記誘電体基板に配置され、高周波信号を第１方向に伝搬させる導波路と、
前記誘電体基板における前記導波路の信号伝搬方向と交差する方向に配置され、前記導波路を伝搬する前記高周波信号のうち所定の周波数帯域の信号を前記導波路の入力部の方向に反射させる反射型共振器と、
前記誘電体基板に配置され、前記導波路及び前記反射型共振器間を電磁界で結合する結合部と、を備え、
前記導波路は、前記第１方向に延びるとともに、前記第１方向に交差する第２方向に離隔して配置される第１ビア群及び第２ビア群を有し、
前記第１ビア群及び前記第２ビア群は、前記誘電体基板の前記第１方向に沿って離隔して配置され前記第１導電層から前記誘電体基板を貫通して前記第２導電層に到達する複数の第１導電ビアをそれぞれ有し、
前記反射型共振器は、前記第１ビア群の一部に設けられる前記第１導電ビアの欠損部の周囲に配置され、前記第１導電層から前記誘電体基板を貫通して前記第２導電層に到達する複数の第２導電ビアを有し、
前記結合部は、前記欠損部内に配置され、記第１導電層から前記誘電体基板を貫通して前記第２導電層に到達する第３導電ビアを有する、フィルタが提供される。

５Ｇの無線送信装置の送信スペクトルの略図 帯域通過フィルタの信号通過帯域幅が広い場合と狭い場合で、周波数遮断特性を比較した図。 帯域通過フィルタの信号通過帯域幅が広い場合に帯域通過フィルタの段数を１２段に増やした例を示す図。 帯域阻止フィルタの動作原理を示す図。 帯域阻止フィルタの通過特性図。 一般的な導波管を示す斜視図。 複数の導電ビアで構成される導波管構造の一例を示す斜視図。 図５Ｂの導波管構造の周波数特性を示す図。 第１例のフィルタの斜視図。 第３導電ビアの位置を調整する例を示す図。 欠損部の第１方向の中心位置に第３導電ビアを配置した場合の周波数特性図。 第３導電ビアを中心位置から反射型共振器側にずらした場合の周波数特性図。 第３導電ビアを中心位置から導波路側にずらした場合の周波数特性図。 一比較例によるフィルタの斜視図。 図９のフィルタの周波数特性図。 信号伝搬方向に電界のピークが一つ存在する場合の電界分布を模式的に示す図。 信号伝搬方向に電界のピークが二つ存在する場合の電界分布を模式的に示す図。 信号伝搬方向に電界のピークが三つ存在する場合の電界分布を模式的に示す図。 第２例のフィルタの斜視図。 図１２のフィルタの周波数特性を示す図。 第３例のフィルタの斜視図。 第４例のフィルタの斜視図。 第５例のフィルタの斜視図。 送信機能及び受信機能を備える無線通信装置の概略構成を示すブロック図。 アンテナの平面図。 一変形例による無線通信装置の概略構成を示すブロック図。

以下、図面を参照して、フィルタ及び無線送信装置の実施形態について説明する。以下では、フィルタ及び無線送信装置の主要な構成部分を中心に説明するが、フィルタ及び無線送信装置には、図示又は説明されていない構成部分や機能が存在しうる。以下の説明は、図示又は説明されていない構成部分や機能を除外するものではない。

５Ｇの無線通信には、４ＧＨｚ帯付近の周波数帯域の他に、２４～２８ＧＨｚの周波数帯域が割り当てられている。ところが、２４ＧＨｚ付近には、地球探査衛星が使用する周波数帯域が既に割り当てられており、５Ｇの無線通信が地球探査衛星の観測に干渉を与えないようにする必要がある。図１は５Ｇの無線送信装置からの送信スペクトルの周波数特性の一例を示した図である。図１に示すように、送信スペクトルは使用する帯域外への不要放射が存在し、隣接する周波数帯域に干渉が起きるおそれがある。

帯域通過フィルタ（ＢＰＦ：Band Pass Filter）の周波数遮断特性は、信号通過帯域幅に依存する。図２Ａ及び図２Ｂは、周波数遮断特性と信号通過帯域幅との関係を模式的に示す図である。５Ｇのように、信号通過帯域幅が広い場合には、周波数遮断特性を急峻にするのは容易ではなく、周波数遮断特性を急峻にするには、帯域通過フィルタを多段化する必要がある。図２Ａは、帯域通過フィルタの段数が３段の場合に、信号通過帯域幅が広い場合（実線）と狭い場合（破線）で、周波数遮断特性を比較した図である。図示のように、使用する共振器の損失が同じで、かつ帯域通過フィルタの段数が同じ場合、信号通過帯域幅が広いほど、周波数遮断特性の急峻性が損なわれ、信号の漏洩が生じやすくなる。

図２Ｂは、帯域通過フィルタの信号通過帯域幅が広い場合に帯域通過フィルタの段数を１２段に増やした例を示している。帯域通過フィルタを多段化することで、周波数遮断特性を急峻にすることができるが、多段化するほど信号損失が増えてしまう。このように、帯域通過フィルタでは、広帯域かつ周波数遮断特性を急峻にし、かつ信号損失を抑制することは容易ではない。

５Ｇの無線信号が隣接する周波数帯域に漏洩することを防止する方策として、帯域通過フィルタの代わりに帯域阻止フィルタ（ＢＲＦ：Band Rejection Filter）を用いることが考えられる。帯域阻止フィルタは、特定の周波数帯域（不要波）を減衰させる機能を有する。

図３は帯域阻止フィルタ１の動作原理を示す図、図４は帯域阻止フィルタ１の通過特性図である。図３に示すように、帯域阻止フィルタ１は、伝送路２と、伝送路２上に所定間隔で接続される複数の共振器３とを有する。伝送路２上の隣接する２つの共振器３は、伝送路２を伝搬する信号の波長をλとすると、λ／４＝９０度の位相差を有する。

図３の伝送路２を伝搬する信号に含まれる共振器３の共振周波数ｆ０の信号成分は、共振器３で反射されて伝送路２の入力側に戻る。これにより、図４に示すように、共振周波数ｆ０の信号成分のみを遮断することができる。

帯域阻止フィルタ１は、様々なフィルタを組み合わせて構成することができ、帯域制限やスプリアス除去などを行うことも可能である。最近は、通信機器の小型化を求める声が大きいため、帯域阻止フィルタ１も、小型化と信号損失の抑制を両立させることが望まれる。

そこで、本実施形態では、帯域阻止フィルタ１を導波管構造にすることを特徴としている。図５Ａは一般的な導波管４を示す斜視図である。図５Ａに示す導波管４は、高電力の伝送やミリ波帯などの高周波帯域の信号伝送ではよく用いられる。その理由は、誘電体基板上の導電パターンを有する平面回路構造では、誘電体基板の損失や信号伝送時の抵抗損がミリ波帯域では特に大きくなり、信号損失が大きくなりやすいためである。図５Ａに示す導波管４は、高周波信号の伝送時には高い寸法精度が要求されるため、製造コストが高くなるおそれがある。また、導波管４は接続フランジ部を必要とするため、サイズが大きくなる。よって、導波管４を高密度に配置するのは技術的に困難である。

このように、導波管４は、マイクロストリップ構造やコプレーナ構造のような平面回路で回路を構成するよりも、信号の損失を抑制できるという利点はあるものの、伝送路２の周囲に壁を形成して接続フランジ部を設ける必要がある等、小型化が困難である。５Ｇ等の最近の無線通信では、複数のアンテナ素子を有するアレーアンテナを用い、アンテナ素子ごとにフィルタや送受信機を必要とするため、フィルタを小型化することが求められている。

そこで、本実施形態では、対向する二面に導電層を配置した誘電体基板を貫通する複数の導電ビアにて導波管構造を形成することを特徴とする。図５Ｂは複数の導電ビア５で構成される導波管構造６の一例を示す斜視図である。図５Ｂの導波管構造６は、誘電体基板７の対向する二面に配置された導電層８と、一方の導電層８から誘電体基板７を貫通して他方の導電層８に到達する複数の導電ビア（金属ポストと呼ぶこともある）５と、を有する。二列に並んだ複数の導電ビア５からなる導電ビア群９、導電ビア群１０と、誘電体基板７と、導電層８により、導波管構造６を構成している。図５Ｂでは、二列に並んだ二つの導電ビア群９、導電ビア群１０が擬似的な金属壁として作用し、誘電体装荷導波管と同様に電波を伝搬する伝送路２を形成する。誘電体基板７の誘電体材料として、誘電損失の低い材料を用いることで、導波管４と同様に高周波帯域にて低損失の伝送路２を構成することができる。

図５Ｂの導波管構造６は、対向する二面に導電層８を形成した誘電体基板７を貫通するように、二列に複数のビアホール（スルーホールとも呼ぶ）を形成し、各ビアホールの内部に導電部材を配置して、上下の導電層８と導通させた複数の導電ビア５からなる導電ビア群９及び導電ビア群１０を有する。これら導電ビア５は、半導体プロセス技術により比較的容易に製造できる。二列の導電ビア群９及び導電ビア群１０と、その間の誘電体基板７と、対向する二つの導電層８とで、導波管構造６が形成される。この導波管構造６は、図５Ｂに示すように、誘電体基板７の内部に形成できるため、図５Ａのような構造の導波管４よりも、小型化及び薄型化が可能になり、製造も容易に行える。

図５Ｃは図５Ｂの導波管構造６の周波数特性を示す図である。図５Ｃの横軸は周波数、縦軸は振幅［ｄＢ］である。図５Ｃの波形ｗ１はＳパラメータＳ１１、波形ｗ２はＳパラメータＳ２１の周波数特性を示している。Ｓ１１は入力側の反射特性を示し、Ｓ２１は入力側からの通過特性を示している。図５Ｃに示すように、図５Ｂの導波管構造６は、特定の周波数帯域の信号を入力側に反射させる機能を持たない。これに対して、本実施形態によるフィルタ１は、複数の導電ビア５により誘電体基板７内に形成される導波管構造６に反射型共振器３を追加することで、特定の周波数帯域の信号を遮断する帯域阻止フィルタ１を形成したものである。以下、本実施形態によるフィルタの代表的な具体例をいくつか順に説明する。

（フィルタの第１例）
図６は第１例のフィルタ１１の斜視図である。図６のフィルタ１１は、誘電体基板７と、第１導電層８ａ及び第２導電層８ｂと、導波路１２と、入力部１３と、出力部１４と、反射型共振器１５と、結合部１６とを備えている。

第１導電層８ａ及び第２導電層８ｂは、誘電体基板７の対向する二面に配置されている。導波路１２は、誘電体基板７の一部に配置され、高周波信号を伝搬させる。導波路１２は、上述した導波管構造６であり、周期的に配置される複数の第１導電ビア５ａからなる第１導電ビア群１７及び第２導電ビア群１８を有する。第１導電ビア群１７と第２導電ビア群１８はそれぞれ、金属壁として作用し、誘電体装荷導波管４のような動作を行う。よって、第１導電ビア群１７と第２導電ビア群１８の間の第１導電層８ａ、誘電体基板７及び第２導電層８ｂは、導波管構造６の導波路１２となる。導波路１２は、第１導電ビア群１７と第２導電ビア群１８との間の領域により、高周波信号を第１方向Ｘに伝搬させることができる。

誘電体基板７の材料としては、ミリ波帯での無線通信を行う場合には、サファイヤやアルミナなどのセラミック素材やＰＴＦＥなどのフッ素樹脂素材、石英やガラスクロスなどを用いることができる。第１導電層８ａ及び第２導電層８ｂの材料としては、銅、金、アルミニウムなどの高周波信号の損失が少ない金属を用いてもよい。第１導電ビア５ａは、ビアホールの内壁に形成される銅や金の金属メッキでもよい。具体的な一例として、０．５ｍｍの厚さのアルミナを材料とする誘電体基板７を用いて、第１導電層８ａ、第２導電層８ｂ及び第１導電ビア５ａを銅で形成してもよい。

第１導電ビア群１７及び第２導電ビア群１８を構成する第１導電ビア５ａの間隔は必ずしも同一でなくてもよいが、導波路１２で伝搬する高周波信号の波長に対して十分に小さくする必要がある。より具体的には、第１導電ビア５ａの間隔は、導波路１２を伝搬する高周波信号の管内波長λgに対して、λg／４～λg／８以下の間隔にすることで、第１導電ビア群１７及び第２導電ビア群１８からの信号の漏れを抑制できる。具体的な一例として、２０～３０ＧＨｚ帯域の信号を伝搬させることを想定して、第１導電ビア群１７及び第２導電ビア群１８における第１導電ビア５ａの間隔を０．５ｍｍとした。

導波路１２は、第１方向Ｘに延びており、第１方向Ｘに高周波信号を伝搬させる。複数の第１導電ビア５ａのそれぞれは、第１導電層８ａから誘電体基板７を貫通して第２導電層８ｂに到達しており、第１導電ビア５ａは第１導電層８ａと第２導電層８ｂに導通している。第１導電ビア群１７と第２導電ビア群１８は、第１方向Ｘに交差する第２方向Ｙに離隔して配置されている。第２方向Ｙは、例えば第１方向Ｘに直交する方向であってもよい。導波路１２の第１方向Ｘの一端部には入力部１３が設けられ、他端部には出力部１４が設けられている。入力部１３を介して、導波路１２に高周波信号が入力される。導波路１２を伝搬した高周波信号は出力部１４から出力される。

反射型共振器１５は、導波路１２における高周波信号の信号伝搬方向である第１方向Ｘに交差する方向（例えば第２方向Ｙ）に配置されている。反射型共振器１５は、導波路１２を伝搬する高周波信号のうち、所定の周波数帯域の信号を入力部１３の方向に反射させる。所定の周波数帯域とは、例えば、反射型共振器１５の共振周波数である。このように、導波路１２に反射型共振器１５を結合させることにより、導波路１２を伝搬する高周波信号のうち、反射型共振器１５の共振周波数成分の信号を伝搬させないようにすることができ、帯域阻止フィルタとして機能させることができる。

反射型共振器１５は、第１導電ビア群１７の一部に設けられる第１導電ビア５ａの欠損部１９の周囲に配置されている。反射型共振器１５は、第３導電ビア群２１～２３と第４導電ビア５ｃを有する。第３導電ビア群２１～２３は、第１導電層８ａから誘電体基板７を貫通して第２導電層８ｂに到達し、第１導電ビア群１７の一部に設けられる第１導電ビア群１７が存在しない欠損部１９に接する領域の周囲に沿って離隔して配置されている。第４導電ビアは、第１導電層８ａから誘電体基板７を貫通して第２導電層８ｂに到達し、欠損部１９内に配置される１つ以上の第４導電ビア５ｃを有する。第３導電ビア群２１～２３を構成する各第３導電ビア５ｂと第４導電ビア５ｃのそれぞれは、第１導電ビア５ａと同じ径サイズでもよいし、異なる径サイズでもよい。反射型共振器１５は、導波路１２と電磁界で結合され、導波路１２を伝搬する高周波信号のうち所定の周波数帯域の信号を反射させる。

欠損部１９には結合部１６が設けられている。結合部１６は、第４導電ビア５ｃと欠損部１９の両端の２つの第１導電ビア群１７との間の結合孔１６ａを介して、導波路１２及び反射型共振器１５間を電磁界で結合する。結合部１６は、欠損部１９内に配置され、第１導電層８ａから誘電体基板７を貫通して第２導電層８ｂに到達する第４導電ビア５ｃを有する。第４導電ビア５ｃは、第１導電ビア５ａ又は第３導電ビア５ｂと同じ径サイズでもよいし、異なる径サイズでもよい。本明細書では、第１導電ビア５ａ、第３導電ビア５ｂ、及び第４導電ビア５ｃを、必要に応じて金属ポストと呼ぶことがある。

欠損部１９の第１方向Ｘの間隔は、欠損部１９以外の第１導電ビア群１７の隣接する２つの第１導電ビア５ａの間隔よりも広くしている。反射型共振器１５は、欠損部１９の両端の２つの第１導電ビア５ａから、第１方向Ｘと交差する方向（例えば第２方向Ｙ）にそれぞれ離隔して配置される複数の第３導電ビア５ｂを有する。

より具体的な一例として、反射型共振器１５内の第３導電ビア群２１～２３は、例えば、図６に示すように、欠損部１９の両端の２つの第１導電ビア５ａから、第２方向Ｙにそれぞれ離隔して配置される複数の第３導電ビア５ｂを有する第５導電ビア群２１及び第６導電ビア群２２を有する。また、第３導電ビア群２１～２３は、具体的な一例として、第５導電ビア群２１及び第６導電ビア群２２の端部同士の間にそれぞれ離隔して配置される複数の第３導電ビア５ｂを有する第７導電ビア群２３と、を有する。

反射型共振器１５は、導波路１２と電磁界で結合することで、反射型共振器１５の共振周波数の信号を反射させる動作を行う。このため、反射型共振器１５では、共振周波数と、導波路１２との結合量の２つのパラメータが重要になる。反射型共振器１５の共振周波数は、反射型共振器１５のサイズで決まる。図６の反射型共振器１５は、第５導電ビア群２１、第６導電ビア群２２、及び第７導電ビア群２３からなる金属壁で誘電体を取り囲んだ構造であり、特定の周波数で共振する共振器３を実現できる。

図６は、平面形状が矩形の反射型共振器１５の例を示しているが、円形などの任意の形状を取り得る。反射型共振器１５は、使用する共振モード以外にも、さまざまな共振モードで共振する。このため、反射型共振器１５の形状を変えることで、遮断したい周波数で共振する共振モードを選択することができる。図６の例では、導波路１２を、第１方向Ｘの長さＬ＝２．５ｍｍ、第２方向Ｙの幅Ｒ＝２．５５ｍｍの直方体形状とした。

図６のフィルタ１１では、第１導電ビア群１７を構成する複数の第１導電ビア５ａの一部を欠損させた欠損部１９により、導波路１２と反射型共振器１５とを結合させている。欠損部１９に設けられる結合部１６は、電磁界が通り抜ける結合孔１６ａを有する。後述するように、結合孔１６ａの間に導電ビアを設けないと、共振周波数よりも低域側と高域側で反射特性が対称的にならないことから、図６のフィルタ１１では、結合孔１６ａの中心位置付近に第４導電ビア５ｃを配置している。上述したように、第４導電ビア５ｃは、第１導電ビア５ａや第３導電ビア５ｂと径サイズが同じでも、異なっていてもよい。第４導電ビア５ｃは、欠損部１９の第１方向Ｘの長さ（第７導電ビア群２３の長さ）をＬとしたときに、欠損部１９の一端側に位置する第５導電ビア群２１との距離を４Ｌ／１０以上離した位置で、かつ欠損部１９の他端側に位置する第６導電ビア群２２との距離を４Ｌ／１０以上離した位置に配置されている。

また、欠損部１９に設けられる第４導電ビア５ｃを、図７の矢印線に示すように、例えば第２方向Ｙにずらしてもよい。図７は、欠損部１９の第１方向Ｘの中心位置を基準として、その周囲の所定範囲（図７の円ＣＲの範囲）内で第４導電ビア５ｃの位置を調整する例を示している。所定範囲は、第２方向Ｙだけでなく、第１方向Ｘでもよい。所定範囲は、欠損部１９の中心位置を基準として、±Ｌ／５以下の範囲であってもよい。

欠損部１９の第１方向Ｘの長さは、導波路１２を伝搬する高周波信号の周波数及び信号電力と、反射型共振器１５で反射される信号の周波数及び信号電力との相関により決定されてもよい。

図８Ａ、図８Ｂ及び図８Ｃは、第４導電ビア５ｃの位置を図７の所定範囲内で調整したときのフィルタ１１の周波数特性を示す図である。図８Ａは欠損部１９の第１方向Ｘの中心位置に第４導電ビア５ｃを配置した場合、図８Ｂは第４導電ビア５ｃを中心位置から反射型共振器１５側にずらした場合、図８Ｃは第４導電ビア５ｃを中心位置から導波路１２側にずらした場合の周波数特性図を示している。図８Ａ～図８Ｃの横軸は周波数［ＧＨｚ］、縦軸は振幅［ｄＢ］である。

図８Ａ～図８Ｃの波形ｗ３、ｗ５、ｗ７はＳパラメータＳ１１であり、反射特性を示している。波形ｗ４、ｗ６、ｗ８はパラメータＳ２１であり、通過特性を示している。欠損部１９の中心位置に第４導電ビア５ｃを配置すると、図８Ａのように、共振周波数の低帯域側と高帯域側の反射特性がほぼ対称になる。これに対して、第４導電ビア５ｃを欠損部１９の中心位置から反射型共振器１５側にずらすと、図８Ｂに示すように、共振周波数の低帯域側の反射特性が大きく落ち込み、共振周波数の低帯域側と高帯域側で反射特性が非対称になる。また、第４導電ビア５ｃを欠損部１９の中心位置から導波路１２側にずらすと、図８Ｃに示すように、共振周波数の高帯域側の反射特性が大きく落ち込み、共振周波数の低帯域側と高帯域側で反射特性が非対称になる。

図８Ａ～図８Ｃからわかるように、欠損部１９内の中心位置付近に設けられる第４導電ビア５ｃの位置を所定範囲内で調整することで、フィルタ１１の反射特性の非対称性を制御できる。よって、第４導電ビア５ｃの位置を微調整することで、共振周波数の低帯域側と高帯域側の対称性を向上でき、周波数特性に優れた帯域阻止フィルタを得ることができる。

図９は一比較例によるフィルタ１１０の斜視図である。図９のフィルタ１１０は、図６と同様に、第１導電ビア群１７及び第２導電ビア群１８を有する導波管構造６の導波路１２と、第５導電ビア群２１～第７導電ビア群２３を有する反射型共振器１５とを備えているが、第１導電ビア群１７の一部に設けられる欠損部１９に、図６のような第４導電ビア５ｃが存在しない点で図６のフィルタ１１とは異なる。

図１０は図９のフィルタ１１の周波数特性図である。図１０の波形ｗ９はＳパラメータＳ１１、波形ｗ１０はＳパラメータＳ２１である。図１０からわかるように、欠損部１９内に第４導電ビア５ｃが存在しない場合には、共振周波数の低帯域側では、反射特性の変化が緩やかであるのに対し、共振周波数の高帯域側では、反射特性の変化が急峻になり、共振周波数の低帯域側と高帯域側で反射特性が非対称になる。このため、図９の構造では、特定の周波数帯域の信号のみを遮断する帯域阻止特性に優れた帯域阻止フィルタが得られないおそれがある。

これに対して、図６のフィルタ１１では、欠損部１９内の中心位置付近に第４導電ビア５ｃを配置し、この第４導電ビア５ｃの位置を所定範囲内で調整することで、帯域阻止特性に優れて、小型化及び薄型化が可能な帯域阻止フィルタを作製することができる。

図６のフィルタ１１は、第１導電ビア群１７の欠損部１９内に一つの第４導電ビア５ｃを配置しているが、欠損部１９内の第４導電ビア５ｃの数を増やすことで、反射型共振器１５を高次モードで共振させる場合の非対称性を改善することができる。図１１Ａは反射型共振器１５内で信号伝搬方向に電界のピーク２４が一つ存在する場合の電界分布を模式的に示す図である。この場合、図６のように、欠損部１９の中心付近に第４導電ビア５ｃを配置すればよい。図１１Ｂは反射型共振器１５内で信号伝搬方向に電界のピーク２４が二つ存在する場合の電界分布を模式的に示す図である。この場合、欠損部１９内に２つの第４導電ビア５ｃを配置すればよい。図１１Ｃは反射型共振器１５内で信号伝搬方向に電界のピーク２４が三つ存在する場合の電界分布を模式的に示す図である。この場合、欠損部１９内に３つの第４導電ビア５ｃを配置すればよい。

上述したように、欠損部１９内に第４導電ビア５ｃを二個以上設けることで、反射型共振器１５を高次モードで共振させる場合の非対称性を改善することができる。高次モードで共振させることで、帯域阻止フィルタの遮断周波数を切り替えることができる。一般化すると、図６のフィルタ１１内の反射型共振器３は、信号伝搬方向に電界のピーク２４をｎ個（ｎは１以上の整数）持つ共振モードで共振する。このとき、結合部１６は、欠損部１９内にｎ個の第４導電ビア５ｃを有する。ｎ個の第４導電ビア５ｃの位置を調整することで、反射型共振器１５を高次モードで共振させる場合の非対称性を改善することができ、高次モードを用いたフィルタが構成可能となり共振周波数を含む周波数帯域の信号を遮断することができる。このとき、ｎ個の第４導電ビア５ｃは、欠損部１９の中心位置を基準として、第２方向Ｙに±Ｌ／(１０×ｎ)以下の範囲内に配置される。

（フィルタ１１の第２例）
図１２は第２例のフィルタ１１ａの斜視図である。図１２のフィルタ１１ａは、導波路１２の信号伝搬方向の片側に配置された複数の反射型共振器１５を備えている。図１２では、導波路１２の信号伝搬方向に３つの反射型共振器１５を配置しているが、反射型共振器１５の数には特に制限はない。図１２における各反射型共振器１５は、図６の反射型共振器１５と同様に、第１導電ビア群１７の一部の欠損部１９から第２方向Ｙに配置されている。第１導電ビア群１７には、反射型共振器１５の数と同数の欠損部１９が設けられている。各反射型共振器１５は、欠損部１９に設けられる結合部１６の結合孔１６ａを介して、導波路１２と電磁界で結合している。欠損部１９の中心位置付近には第４導電ビア５ｃが配置されている。各第４導電ビア５ｃの位置を調整することにより、共振周波数の低帯域側と高帯域側の周波数特性の対称性を改善でき、通過特性や反射特性の曲線を調整できる。

フィルタ１１ａ内の複数の反射型共振器１５は、共振周波数が同一になるように、各反射型共振器１５の第５導電ビア群２１及び第６導電ビア群２２の長さＲと、第７導電ビア群２３の長さＬを同一としている。

図１２における複数の反射型共振器１５は、帯域阻止を行う中心周波数に対応する波長をλgとして、例えば、３λg／４の間隔で、第１方向Ｘ（信号伝搬方向）に配置されている。これにより、狭い範囲に複数の反射型共振器１５を配置できるため、フィルタ１１ａのサイズを小型化できる。なお、第１方向Ｘに隣接する２つの反射型共振器１５の間隔は、ある程度の誤差が許容され、例えば３λg／４±２０％の範囲内に反射型共振器１５を配置するのが望ましい。

図１３は図１２のフィルタ１１ａの周波数特性を示す図である。図１３の波形ｗ１１はＳパラメータＳ１１、波形ｗ１２はＳパラメータＳ２１の周波数特性を示している。図１２のように、フィルタ１１ａ内に３つの反射型共振器１５を設けることで、阻止帯域２７ＧＨｚの低帯域側と高帯域側の対称性がよくなる。これよりもさらに高帯域側の減衰特性を改善したい場合には、各第４導電ビア５ｃの位置を反射型共振器１５側にずらすことで、高帯域側の減衰特性をより急峻にすることができる。この場合、共振周波数よりも低帯域側の減衰特性は悪化するため、各第４導電ビア５ｃの位置を微調整することで、フィルタ１１ａの非対称性を積極的に利用して、フィルタ１１ａの周波数特性を改善できる。

（フィルタ１１の第３例）
図１４は第３例のフィルタ１１ｂの斜視図である。図１４のフィルタ１１ｂは、導波路１２の信号伝搬方向の両側に配置される複数の反射型共振器１５を備えている。より詳細には、図１４のフィルタ１１ｂは、第１導電ビア群１７における複数の欠損部１９から第２方向Ｙに複数の反射型共振器１５を配置するともに、第２導電ビア群１８における複数の欠損部１９から第２方向Ｙに複数の反射型共振器１５を配置している。

図１４のフィルタ１１ｂにおいても、導波路１２は、誘電体基板７を貫通する第１導電ビア群１７と第２導電ビア群１８からなる導波管構造６である。複数の反射型共振器１５は、導波路１２との結合孔１６ａを介して電磁界で結合している。各結合孔１６ａの中心位置付近には、第４導電ビア５ｃが配置されている。複数の反射型共振器１５は、導波路１２の信号伝搬方向の両側に交互に配置されている。第１方向Ｘに隣接する２つの反射型共振器１５の間隔は、導波路１２で伝搬される信号の波長をλgとしたときに、３λg／４である。また、第１導電ビア群１７に接続される反射型共振器１５と、第２導電ビア群１８に接続される反射型共振器１５との間隔は、λg／４である。すなわち、複数の反射型共振器１５は、導波路１２の信号伝搬方向の両側に、λg／４の間隔で交互に配置されている。上述した間隔３λg／４と間隔λg／４は、ある程度の誤差が許容され、第１方向Ｘに隣接する２つの反射型共振器１５は、３λg／４を基準間隔として±２０％の範囲内に配置される。また、導波路１２の信号伝搬方向に沿って交互に配置される２つの反射型共振器１５は、λg／４を基準間隔として±２０％の範囲内に配置される。

図１４では、導波路１２の信号方向の片側に３つの反射型共振器１５を配置し、他の片側に２つの反射型共振器１５を配置しているが、これは一例であり、導波路１２の信号方向の両側に交互に配置される反射型共振器１５の数には特に制限はない。

（フィルタ１１の第４例）
図１５は第４例のフィルタ１１ｃの斜視図である。図１５のフィルタ１１ｃは、導波管構造６の導波路１２の信号伝搬方向の両側に、複数の反射型共振器１５を対向させて配置している。導波路１２は、第１例～第３例のフィルタ１１ａ、１１ｂ、１１ｃと同様に、第１導電ビア群１７及び第２導電ビア群１８を有する。各反射型共振器１５も、第１例～第３例のフィルタ１１ｃと同様に、第５導電ビア群２１、第６導電ビア群２２及び第７導電ビア群２３を有する。各反射型共振器１５のサイズは同一である。

各反射型共振器１５は、対応する結合孔１６ａを介して、導波路１２と電磁界で結合している。各結合孔１６ａの中心付近には第４導電ビア５ｃが配置されている。これら第４導電ビア５ｃの位置を調整することで、図１５のフィルタ１１ｃの周波数特性を調整することができる。

図１５のフィルタ１１ｃでは、導波路１２を間に挟んで、２つの反射型共振器１５を対向させて配置している点で、図１４のフィルタ１１ｃとは異なる。上述したように、２つの反射型共振器１５のサイズ及び形状は同じであるため、共振周波数も同じになる。これら反射型共振器１５が導波路１２と結合することで、強い結合の反射型共振器１５と同様の特性が得られる。

例えば、一つの反射型共振器１５の外部Ｑ値をＱe1とすると、二つの反射型共振器１５を合わせた外部Ｑ値はＱe1／２となる。よって、図１５のフィルタ１１ｃは、広帯域のフィルタ１１ｃを構成する場合に必要な外部Ｑ値が一つの反射型共振器１５の構造では得られない場合などに用いることができる。

図１５のフィルタ１１ｃでは、導波路１２の信号伝搬方向の両側に、一つずつ反射型共振器１５を配置しているが、導波路１２の信号伝搬方向の両側に、複数個ずつ反射型共振器１５を配置し、かつ両側の反射型共振器１５を対向させて配置してもい。

（フィルタ１１の第５例）
図１６は第５例のフィルタ１１ｄの斜視図である。図１６のフィルタ１１ｄは、積層される複数の誘電体基板７ａ、７ｂを備えている。複数の誘電体基板７ａ、７ｂのそれぞれの対向する二面には、第１導電層８ａ及び第２導電層８ｂが配置されている。複数の誘電体基板７ａ、７ｂのそれぞれには、反射型共振器１５、結合部１６、第１導電ビア群１７、及び第２導電ビア群１８が配置されている。各誘電体基板７と、各誘電体基板７の両面側の第１導電層８ａ及び第２導電層８ｂと、各誘電体基板７を貫通する第１導電ビア群１７及び第２導電ビア群１８とで、導波管構造６が構成されている。

このように、図１６のフィルタ１１ｄでは、積層される複数の誘電体基板７ａ、７ｂのそれぞれに、導波管構造６の導波路１２が配置されており、各導波路１２は、高周波信号が入力される入力部１３と、高周波信号が出力される出力部１４とを有する。

各誘電体基板７を貫通する第１導電ビア群１７及び第２導電ビア群１８は、図１６のフィルタ１１ｄを基板面から平面視したときに、積層方向に重なるように配置されている。よって、複数の誘電体基板７ａ、７ｂを積層した後に、これら誘電体基板７を貫通するビアホールを形成して、ビアホールの内壁面を導電材料で覆うことにより、各誘電体基板７ａ、７ｂの第１導電ビア群１７及び第２導電ビア群１８を一括で形成できる。これにより、各誘電体基板７ａ、７ｂに設けられる導波路１２を、基板面の法線方向から平面視したときに、積層方向に重なる同一位置に配置することができる。

各導波路１２には、結合部１６を介して反射型共振器１５が接続されている。各反射型共振器１５は、結合部１６の結合孔１６ａを介して導波路１２と電磁界で結合している。各結合部１６には、第４導電ビア５ｃが配置されている。第４導電ビア５ｃの位置を調整することで、図１６のフィルタ１１ｄの周波数特性を調整することができる。

各誘電体基板７の反射型共振器１５は、誘電体基板７ａ、７ｂのそれぞれごとに、導波路１２の信号伝搬方向に位置をずらして配置されている。具体的には、反射型共振器１５は、導波路１２を伝搬する高周波信号の波長をλgとして、λg／４の間隔で、各誘電体基板７に交互に配置されている。また、同一の誘電体基板７内の反射型共振器１５は、３λg／４の間隔で配置されている。これらの間隔は、±２０％以内の誤差が許容される。

反射型共振器１５は、第１～第４例のフィルタ１１、１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１ｄ内の反射型共振器１５と同様に、第５導電ビア群２１、第６導電ビア群２２及び第７導電ビア群２３とを有する。

図１６では、各誘電体基板７ａ、７ｂに配置される複数の導波路１２の信号伝搬方向の片側に、複数の反射型共振器１５を配置しているが、誘電体基板７ａ、７ｂごとに、反射型共振器１５が配置される方向を互いに逆にしてもよい。

図１６のフィルタ１１ｄでは、複数の誘電体基板７ａ、７ｂを積層して、各誘電体基板７ａ、７ｂ内に導波管構造６の導波路１２と複数の反射型共振器１５とを配置するため、フィルタ１１ｄ全体のサイズを抑制でき、小型で多段の帯域阻止フィルタを形成できる。

図１６では、二つの誘電体基板７ａ、７ｂを積層する例を示したが、積層する誘電体基板７の数に特に制限はない。各誘電体基板７に導波路１２と反射型共振器１５を形成できるため、一つの誘電体基板７に形成するべき反射型共振器１５の数を減らすことができる。よって、積層する誘電体基板７の数を多くするほど、フィルタ１１ｄ全体の面積をより削減できる。

（無線通信装置の構成）
上述した第１～第５例のフィルタ１１、１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１ｄは、無線送信装置又は無線通信装置で使用することができる。無線通信装置は、送信機能だけを備えていてもよいし、送信機能及び受信機能を備えていてもよい。送信機能だけを有する無線通信装置は、無線送信装置と呼ばれることもある。以下では、送信機能及び受信機能を備える無線通信装置の内部構成の一例を示すが、送信機能だけを有する無線送信装置を構成することも可能である。

図１７Ａは送信機能及び受信機能を備える無線通信装置３１の概略構成を示すブロック図である。図１７Ａの無線通信装置３１は、ベースバンド部３２と、ＲＦ部３３と、フィルタ３４と、アンテナ３５とを備えている。図１７Ａの無線通信装置３１は、例えば５Ｇの無線通信を行う。

ベースバンド部３２は、アンテナ３５で送信されるべき送信信号の変調処理を行うとともに、アンテナ３５で受信された受信信号の復調処理を行う。ベースバンド部３２の内部には、変調済みの送信信号をアナログ信号に変換するＤＡＣ３２ａと、受信信号をデジタル信号に変換するＡＤＣ３２ｂと、変調処理及び復調処理を行うベースバンド処理部３２ｃとが設けられている。受信機能を持たない無線送信装置では、ＡＤＣ３２ｂを省略することができる。

ＲＦ部３３は、ベースバンド部３２で変調処理を施したベースハンド信号を高周波信号に変換するためのミキサ３３ａと、アンテナ３５で受信された高周波の受信信号を中間周波数信号に変換するためのミキサ３３ｂと、局部発振器３３ｃと、送信用の高周波信号を増幅するＲＦアンプ３３ｄと、受信信号を増幅する低雑音アンプ（ＬＮＡ）３３ｅと、アンテナ３５での送受を切り替える送受切替器３３ｆとを有する。アンテナ３５は、図１７Ｂに平面図を示すように、平板状の複数のアンテナ素子（パッチアンテナとも呼ぶ）が縦横に配置された基板を有するアンテナ３５を備えていてもよい。図１７Ｂのアンテナ３５は、ＡＩＭ（Adaptive Impdedance Matching）システムを搭載した無線送信装置３１で用いられる。ＡＩＭシステムは、ユーザと電波の伝搬状況を検出し、それに合った最適なマッチング状態を計算して適用する。

図１７Ｃは一変形例による無線通信装置３１ａの概略構成を示すブロック図である。図１７Ｃの無線通信装置３１ａは、ベースバンド部３２及びＲＦ部３３とアンテナ３５が１：１の関係にあり、複数のアンテナ３５に対応する複数のベースバンド部３２及び複数のＲＦ部３３を設けた例を示している。

フィルタ３４は、ＲＦ部３３とアンテナ３５との間に接続されている。フィルタ３４は、無線信号を送信する際には、帯域阻止フィルタとして機能する。また、アンテナ３５で無線信号を受信する際には、ローパスフィルタ３４として機能するフィルタ３４を設けてもよい。フィルタ３４は、パッチアンテナに対応して設けられ、各パッチアンテナに取り付けられてもよい。

このように、上述した第１～第５例のフィルタ１１、１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１ｄに代表される本実施形態によるフィルタ３４では、誘電体基板７に導電ビア５（第１導電ビア５ａ、第３導電ビア５ｂ、及び第４導電ビア５ｃ）を形成することにより、導波管構造６の導波路１２と、反射型共振器１５と、結合部１６とを構成できるため、信号損失を抑制しつつ、小型かつ薄型の帯域阻止フィルタを作製できる。また、結合部１６に設けられる第４導電ビア５ｃの位置を調整することにより、帯域阻止フィルタの周波数特性を制御できるため、帯域阻止フィルタの周波数特性を最適化することができる。

さらに、遮断したい周波数帯域に応じて、第３導電ビア５ｂの位置を変えることで、反射共振器３のサイズや数、配置場所を変更することができ、所望の周波数帯域を遮断できる帯域阻止フィルタを実現できる。

本実施形態による帯域阻止フィルタは、小型及び薄型にすることが可能なため、５Ｇの無線通信で使用されるパッチアンテナ３５に取り付けることができ、５Ｇで使用する周波数帯域に隣接する周波数帯域への干渉を抑制できる。

本開示の態様は、上述した個々の実施形態に限定されるものではなく、当業者が想到しうる種々の変形も含むものであり、本開示の効果も上述した内容に限定されない。すなわち、特許請求の範囲に規定された内容およびその均等物から導き出される本開示の概念的な思想と趣旨を逸脱しない範囲で種々の追加、変更および部分的削除が可能である。

１ 帯域阻止フィルタ、２ 伝送路、３ 反射型共振器、４ 導波管、５ 導電ビア、５ａ 第１導電ビア、５ｂ 第３導電ビア、５ｃ 第４導電ビア、６ 導波管構造、７ 誘電体基板、８ 導電層、８ａ 第１導電層、８ｂ 第２導電層、９ 導電ビア群、１０ 導電ビア群、１１ 帯域阻止フィルタ、１２ 導波路、１３ 入力部、１４ 出力部、１５ 反射型共振器、１６ 結合部、１６ａ 結合孔、１７ 第１導電ビア群、１８ 第２導電ビア群、１９ 欠損部、２１ 第５導電ビア群、２２ 第６導電ビア群、２３ 第７導電ビア群、２４ ピーク、３１ 無線通信装置、３２ ベースバンド部、３２ｃ ベースバンド処理部、３３ ＲＦ部、３３ａ ミキサ、３３ｂ ミキサ、３３ｃ 局部発振器、３３ｄ ＲＦアンプ、３３ｅ 低雑音アンプ（ＬＮＡ）、３３ｆ 送受切替器、３４ ローパスフィルタ、３５ パッチアンテナ、１１０ フィルタ

Claims (20)

1. 第１導電層と、
   第２導電層と、
   前記第１導電層と前記第２導電層の間に位置する誘電体基板とを有し、
   前記誘電体基板は、
   （１）前記第１導電層から前記誘電体基板を貫通して前記第２導電層に到達し、第１方向に沿って離隔して配置される第１導電ビア群と、（２）前記第１導電層から前記誘電体基板を貫通して前記第２導電層に到達し、前記第１方向に沿って離隔して配置される第２導電ビア群との間の領域により、高周波信号を前記第１方向に伝搬可能な導波路と
   前記導波路と電磁界で結合され、前記導波路を伝搬する前記高周波信号のうち所定の周波数帯域の信号を反射させる反射型共振器と、を有し、
   前記反射型共振器は、
   前記第１導電層から前記誘電体基板を貫通して前記第２導電層に到達し、前記第１導電ビア群の一部に設けられる前記第１導電ビア群が存在しない欠損部に接する領域の周囲に沿って離隔して配置される第３導電ビア群と、
   前記第１導電層から前記誘電体基板を貫通して前記第２導電層に到達し、前記欠損部内に配置される１つ以上の第４導電ビアを有する、フィルタ。
2. 前記第４導電ビアと前記欠損部の両端の２つの前記第１導電ビア群との間の結合孔を介して、前記導波路と前記反射型共振器との間を電磁界で結合する結合部を備える、請求項１に記載のフィルタ。
3. 前記導波路は、前記導波路の入力部に入力された前記高周波信号のうち、前記所定の周波数帯域の信号を遮断し、前記所定の周波数帯域以外の周波数帯域の信号を前記導波路の出力部から出力する帯域阻止フィルタ機能を有する請求項１又は２に記載のフィルタ。
4. 前記第４導電ビアは、前記欠損部の中心位置から所定範囲内に配置される、請求項１乃至３のいずれか一項に記載のフィルタ。
5. 前記欠損部の前記第１方向の間隔は、前記欠損部以外の前記第１導電ビア群の中の隣接する２つの導電ビアの間隔よりも広い、請求項１乃至４のいずれか一項に記載のフィルタ。
6. 前記第３導電ビア群は、前記欠損部の両端の２つの前記第１導電ビア群から、前記第１方向と交差する方向にそれぞれ離隔して配置される第５導電ビア群及び第６導電ビア群を有する、請求項１乃至４のいずれか一項に記載のフィルタ。
7. 前記第３導電ビア群は、前記第５導電ビア群及び前記第６導電ビア群の端部同士の間にそれぞれ離隔して配置される第７導電ビア群と、を有する、請求項６に記載のフィルタ。
8. 前記反射型共振器は、信号伝搬方向に電界のピークを一つ持つ共振モードで共振し、
   前記第４導電ビアは、前記第７導電ビア群の長さをＬとしたときに、前記第５導電ビア群との距離が４Ｌ／１０以上離隔し、かつ前記第６導電ビア群との距離が４Ｌ／１０以上離隔した位置に配置される、請求項７に記載のフィルタ。
9. 前記第４導電ビアは、前記第７導電ビア群の長さをＬとしたときに、前記欠損部の中心位置を基準として前記第１方向に交差する第２方向に±Ｌ／５以下の範囲内に配置される、請求項７又は８に記載のフィルタ。
10. 前記反射型共振器は、信号伝搬方向に電界のピークをｎ個（ｎは１以上の整数）持つ共振モードで共振し、
    前記欠損部内には、前記ｎ個の前記第４導電ビアが設けられる、請求項７に記載のフィルタ。
11. 前記ｎ個の第４導電ビアは、前記第７導電ビア群の長さをＬとしたときに、前記欠損部の前記第１方向の中心位置を基準として前記第１方向に交差する第２方向に±Ｌ／(１０×ｎ)以下の範囲内に配置される、請求項１０に記載のフィルタ。
12. 前記欠損部の前記第１方向の長さは、前記導波路を伝搬する前記高周波信号の周波数及び信号電力と、前記反射型共振器で反射される信号の周波数及び信号電力との相関により決定される、請求項１乃至１１のいずれか一項に記載のフィルタ。
13. 前記第１導電ビア群の複数箇所に離隔して配置される複数の前記欠損部と、
    前記複数の欠損部から前記第１方向に交差する第２方向に配置される複数の前記反射型共振器と、を備える、請求項１乃至１２のいずれか一項に記載のフィルタ。
14. 前記第１方向に隣接する２つの前記反射型共振器は、帯域阻止を行う中心周波数に対応する波長をλgとしたときに、３λg／４を基準間隔として±２０％の範囲内の間隔で配置される、請求項１３に記載のフィルタ。
15. 前記反射型共振器は、前記第１導電ビア群及び前記第２導電ビア群から前記第２方向に交互に配置される、請求項１４に記載のフィルタ。
16. 前記第１導電ビア群及び前記第２導電ビア群から前記第２方向に交互に配置される前記反射型共振器は、帯域阻止を行う中心周波数に対応する波長をλgとしたときに、λg／４を基準間隔として±２０％の範囲内に配置される、請求項１５に記載のフィルタ。
17. 前記反射型共振器は、前記第１導電ビア群及び前記第２導電ビア群から前記第２方向に、対称的に配置される、請求項１４に記載のフィルタ。
18. 積層される複数の前記誘電体基板を備え、
    前記複数の誘電体基板のそれぞれの対向する二面には、前記第１導電層及び前記第２導電層が配置され、
    前記複数の誘電体基板のそれぞれには、前記反射型共振器、前記第１導電ビア群、及び前記第２導電ビア群が配置される、請求項１乃至１７のいずれか一項に記載のフィルタ。
19. 前記複数の誘電体基板のそれぞれに形成される前記導波路は、積層方向に重なる位置に位置に配置され、
    前記複数の誘電体基板のそれぞれにおける前記反射型共振器は、積層方向に異なる位置に配置される、請求項１８に記載のフィルタ。
20. 高周波信号を生成する信号生成器と、
    前記高周波信号に含まれる所定の周波数帯域の信号を遮断して、前記所定の周波数帯域以外の信号を通過させるフィルタと、
    前記フィルタを通過した高周波信号に応じた電波を放射するアンテナと、を備え、
    前記フィルタは、
    第１導電層と、
    第２導電層と、
    前記第１導電層と前記第２導電層の間に位置する誘電体基板とを有し、
    前記誘電体基板は、
    （１）前記第１導電層から前記誘電体基板を貫通して前記第２導電層に到達し、第１方向に沿って離隔して配置される第１導電ビア群と、（２）前記第１導電層から前記誘電体基板を貫通して前記第２導電層に到達し、前記第１方向に沿って離隔して配置される第２導電ビア群との間の領域により、高周波信号を前記第１方向に伝搬可能な導波路と
    前記導波路と電磁界で結合され、前記導波路を伝搬する前記高周波信号のうち所定の周波数帯域の信号を反射させる反射型共振器と、を有し、
    前記反射型共振器は、
    前記第１導電層から前記誘電体基板を貫通して前記第２導電層に到達し、前記第１導電ビア群の一部に設けられる前記第１導電ビア群が存在しない欠損部に接する領域の周囲に沿って離隔して配置される第３導電ビア群と、
    前記第１導電層から前記誘電体基板を貫通して前記第２導電層に到達し、前記欠損部内に配置される１つ以上の第４導電ビアを有する、無線送信装置。