JPH08307104A - 無線周波フィルター - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 無線周波フィルターに関し、共振器同士の結
合がスロット結合及びリンク結合の両方によって実現さ
れ、共振器部材のずれに起因するリンク結合の強度の変
化がスロット結合における対応する変化を相殺させるこ
とを目的とする。 【解決手段】 空洞のセット１と、伝送線共振器４０、
４１と、結合スロット４３を有する仕切壁５３と、電気
伝導性材料のリンク部材４５を有し、該共振器からリン
ク部材４５までの距離は、結合スロット４３に近い部分
では該結合スロット４３から遠い部分よりも長くなるよ
うに構成される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、無線周波用のフィ
ルター構造に関し、この構造においては伝送線共振器フ
ィルターの共振器同士の電磁的結合はスロット結合とリ
ンク結合との組み合わせによって実現される。

【０００２】

【従来の技術】種々のコイルやコンデンサが電子工学的
フィルターの基本的部品として広く使われている。百Ｍ
Ｈｚ程度の周波数では、特にコンデンサの構造に起因す
る副作用によるロスが大きくなり始める。ロスの主な原
因は、コンデンサの直列インダクタンスと、コイルの個
々のターン（巻き）同士の間の、周囲の環境との関係で
のキャパシタンスとである。或る程度までは、コンデン
サとコイルの構造によってこの問題を軽減することがで
きる。しかし、周波数が高くなるに従って、コイル及び
コンデンサの両方のロスが増えていって、結局はロスに
関する限りは種々の伝送線共振器及び空洞共振器を使用
せざるを得なくなる。

【０００３】ロスが小さくて電力処理容量が大きく且つ
選択性が必要である用途や、共振器のサイズが割合に大
きくてもかまわないような用途には同軸共振器が広く使
用されている。共振器のサイズが大きいほどロスが少な
くて電力処理容量が増大する。約１０−１５ＧＨｚ程度
の高周波では、種々のストリップライン共振器も広く使
用されている。１００ＭＨｚから２ＧＨｚまでの周波数
帯域では、漂遊量があってロスが大きいので通常のコイ
ルやコンデンサを使用することはできず、例えば四分の
一波長同軸共振器及びストリップライン共振器等の種々
の共振器もサイズが大きすぎるので、螺旋共振器が一般
的に使用されている。

【０００４】螺旋共振器の中央部のワイヤは円筒状コイ
ル即ち螺旋の形に巻かれた金属ワイヤであり、この螺旋
は金属のハウジング又は金属でコーティングされたハウ
ジング即ち外部導体の中にはめ込まれる。この螺旋と外
部導体とは共同して伝送線共振器構造を形成する。一般
に、螺旋共振器は四分の一波長共振器として機能し、中
央部のワイヤの一端は開放していて他端はハウジング内
で接地される。

【０００５】螺旋構造を使用して極めて良好な体積／ロ
ス比を達成することができる。１００から１０００ＭＨ
ｚまでの周波数範囲内で、４００から１０００までのＱ
値の範囲内では、螺旋共振器のサイズは、同様の特性を
有する同軸共振器のサイズの約１／３である。

【０００６】螺旋共振器のハウジングは螺旋の軸に垂直
な断面を持っていて、その断面は一般に円形、正方形、
或いは長方形であり、中央部のワイヤと同じく電気伝導
性でロスを極めて少なくすることのできる材料から製造
される。螺旋コイルの直径の外側シェルの内径に対する
比とコイルのピッチとは、螺旋共振器の固有インピーダ
ンス（ｓｐｅｃｉｆｉｃ ｉｍｐｅｄａｎｃｅ）を決定
し、それを通して共振周波数を決定する。

【０００７】実用上は、螺旋共振器の機械的構造を強化
するとともに、該共振器の物理的振動により生じる「リ
ンギング」を防止するために螺旋共振器を支持する必要
がある。その支持構造の材料の選択には特別の注意を払
わなければならない。その材料のロスはなるべく小さ
く、機械的耐久性に富んでいなければならないととも
に、その熱膨張特性がなるべく小さくなければならな
い。その支持材料は、そのＱ値に影響を及ぼすだけでな
くて、螺旋共振器の固有インピーダンスにも影響を及ぼ
す。

【０００８】螺旋フィルターは、電磁的に相互に結合し
た一連の螺旋共振器から成る。狭帯域幅の用途での各共
振器間の結合は普通は螺旋空洞の壁に設けられた結合ス
ロットにより実現され、広帯域幅の用途では個別の（デ
ィスクリートな）コイル及びコンデンサ又はリンク中継
器により実現される。フィルターの入力及び出力への結
合は、種々のループ結合器、プローブ結合器、或いはタ
ップ結合器を用いて行われる。その中のタップ結合器
は、機械的耐久性及びＤＣ接地特性が良いので最も広く
用いられている。

【０００９】図１は典型的な従来技術の螺旋帯域（バン
ドパス）フィルターを示しており、この場合、各共振器
同士の間の結合は容量性スロット及び誘導性スロットに
より実現される。結合スロットによって、螺旋の上側部
分の電界を通して容量的に、又は一番下のターン同士の
間の磁界を通して誘導的に、螺旋共振器同士を結合させ
得るということが知られている。結合スロットの大きさ
と、場合によっては一連の空洞の仕切壁における結合ス
ロットの位置とを変えることによって結合の強さに影響
を及ぼすことができる。例えば米国特許第４３７４３７
０号に開示されているような他の結合方法は、図２のよ
うに共振器同士の間のＵ形状のリンク中継器を使用す
る。スロット結合器の場合と同様に、該リンクを、電界
が最大となる螺旋コイルの開放端（リンク１７）に、又
は磁界が最大値となる短絡端（リンク１８）に置くこと
ができる。更に、リンク結合器を開放端及び短絡端の両
方に置くことができ、その場合、螺旋共振器の容量性結
合と誘導性結合との大きさと比を調整することができ
る。

【００１０】無負荷時のＱ値が数百であるに過ぎないよ
うな小型のフィルターでは、容量性の結合器が一般的に
使用される。Ｑ値が低いので、共振器から共振器へと充
分な量のエネルギーを移動させるのに充分なほどに強い
のは最高のターンの電界同士の間の結合だけである。Ｑ
値の高いフィルターでは、磁界同士の間の誘導性結合も
充分なエネルギーを移動させることができる。これらの
結合の電磁的性質は異なるので、それらにより実現され
るフィルターの周波数応答は互いに異なっている。対称
的フィルターと比べると、容量性結合は通過帯域より下
の周波数で顕著に大きな減衰を与え、誘導性結合は通過
帯域より上の周波数範囲で顕著に大きな減衰を与えると
いうことが認められている。これらの結合に差があるた
めに、螺旋共振器に特有の「スキューイング」（ｓｋｅ
ｗｉｎｇ）と呼ばれる非対称的周波数応答が生じる。

【００１１】スロット結合だけに基づく螺旋帯域フィル
ターは、通過帯域より上及び下の周波数を充分に減衰さ
せるとは限らない。該フィルターの伝達関数にゼロ点を
付加することによって追加の減衰を行わせることができ
る。そういうゼロ点は、スロット結合だけではなくてス
トリップ結合をも通して螺旋同士を結合させることによ
り実現される。種々のストリップ結合を使用することに
より、通過帯域の上及び下にゼロ点を設けることができ
る。ストリップ結合の強さを変えることによってゼロ点
の位置を調整することができる。

【００１２】螺旋間の電磁界の結合は、例えば、螺旋間
の距離、結合スロット又は結合リンクとの関係での螺旋
の位置、結合スロット又は結合リンクとの関係での螺旋
の開放端及びベース部の位置、螺旋の実効直径の変化、
螺旋の断面の非対称性などから影響を受ける。

【００１３】高周波特性が良好で、特に小型であるため
に、螺旋共振器フィルターは携帯無線装置及び自動車無
線装置等の高周波無線装置に使用されている。無線装置
が小型化するに従ってフィルターも小型化して、高周波
部品の製造及び組立に以前よりも高い精度が要求される
ようになった。移動体通信が爆発的に増大したために、
電話やフィルターの製造は特殊目的の生産から大量生産
へと変化し、そのために製造及び許容誤差に関する要求
がますますきつくなってきている。

【００１４】種々のフィルターにおける結合スロットの
サイズも、また同じフィルターの中の異なる共振器同士
の間の結合スロットでも、そのサイズが異なり得るとい
うことは明らかである。そういうスロットは非常に精密
に製造されなければならない。実際上、幅及び高さにつ
いての許容誤差は±０．０１ｍｍ程度である。この場
合、それぞれの種類のフィルターと該フィルターの仕切
壁とにそれぞれの製造工程と工具とが必要あり、そのた
めに製造コストが増大する。この構造のもう一つの欠点
は、結合スロットに対する螺旋の相対的位置についての
要求精度が高いことである。その精度は、結合スロット
のそれと同程度である。

【００１５】図２に示されているリンク結合の利点は、
リンク結合を利用すれば類似する一組の空洞をフィルタ
ーに使用することができて、空洞に関しての製造コスト
を低下させ得るということである。しかし、その構造に
必要なそれぞれの支持構造を伴うフィルター及び結合に
固有のリンクは、スロットを使用する方法と比べると余
分の部品であり、それが製造コストを増大させる。更
に、結合リンクについて設定された製造許容誤差及び据
え付け精度についての要件はウィンドウ結合の場合と同
程度である。従って米国特許第４３７４３７０号に開示
されているリンク結合は、スロット結合と比べると製造
技術に関して本質的利点を持つものではなく、このリン
ク結合が持つ電子技術的利点は広帯域フィルターを作る
場合にのみ有効である。

【００１６】

【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、特に
螺旋共振器フィルターの共振器結合構造を提供すること
である。それは、スロット結合構造及びリンク結合構造
に関する上記の欠点を一部解消し一部軽減するものであ
って、またフィルターの設計に或る程度の自由度を新た
に提供することによって結合スロット技術及びリンク結
合技術の利点を組み合わせるものである。

【００１７】

【課題を解決するための手段】この目的は、スロット結
合及びリンク結合の両方を通して共振器同士を結合させ
る構造により達成される。結合リンクの、共振器への実
際の結合が生じる部分は、共振器部材の動きに起因する
リンク結合の強さの変化とスロット結合の強さの変化と
が同じ大きさで反対の符号を持つこととなるように、結
合スロットの位置と関連して設計される。

【００１８】本発明の特徴は、リンク部材（４５，５
１）が各伝送線共振器の結合部分から成っていて、その
結合部分に共振器が電磁的に結合され、該共振器部材か
らの前記結合部分の距離が、結合スロット（４３，５
０）に近いところでは結合スロットから遠いところより
も長いという点にある。

【００１９】添付図面を参照して本発明を詳しく説明す
る。

【００２０】始めに、図１乃至図４を参照して公知のフ
ィルター構造を説明する。

【００２１】

【発明の実施の形態】図１の公知の無線周波フィルター
においては、空洞の金属のセット１又は金属でコーティ
ングされた空洞のセットが２枚の仕切壁２、３で三つの
空洞に分割されている。螺旋コイル４、５、６が各空洞
に配置されており、該コイルはいわゆる低インピーダン
ス端において、該螺旋の足部７、８、９を形成する真っ
直ぐな部分を介して空洞のセット１の底に結合されてい
る。各螺旋共振器同士の結合は螺旋空洞の各仕切壁２、
３における結合スロット１０、１１によりなされる。共
振器４及び５は結合スロット１０を介して電界の介在に
より互いに容量的に結合される。共振器５及び６は結合
スロット１１を介して磁界により互いに誘導的に結合さ
れる。該フィルターの入力及び出力への結合は、螺旋コ
イル４及び６にはんだ付けされた導体１２及び１３によ
り実現される。この構成はタップ結合と呼ばれる。各螺
旋コイル４、５、６は、その上端において、即ち高イン
ピーダンス端において、開放していて、共振器空洞のセ
ットの端部で容量性結合を形成している。螺旋コイルは
低損失で温度安定性の絶縁材料から製造された支持構造
１４、１５及び１６により支持されており、該支持構造
は共振器空洞のセット１により支持される。空洞のセッ
ト１は、共振器が電気的結合器に結合されるときに接地
される。

【００２２】図２の公知の構成では、共振器同士の結合
は、スロット結合器の代わりにＵ形状の伝導性結合リン
ク素子１７及び１８により実現される。この構造の結合
リンクは、例えば螺旋共振器の支持構造１９、２０、及
び２１により支持される。

【００２３】図３に示されているフィンランド特許ＦＩ
７８１９８号（米国特許５０４７７３９）の共振器構造
は、三つの螺旋共振器２２、２３、及び２４からなる。
各共振器は、絶縁材料の板２５に形成された突起２６、
２７及び２８の周囲に配置されている。絶縁板２５の下
側部分においてストリップライン２９及び３０により電
気回路が形成され、この回路に各共振器が例えば参照符
号３１、３２、及び３３で示される点ではんだ付けによ
りガルバニックに（金属と金属との間の導電結合のよう
に）結合されている。各共振器２２、２３及び２４は、
更に、突起２６、２７、及び２８の金属ストリップ３
４、３５、及び３６にはんだ付けすることにより該突起
２６、２７、２８に機械的に確実に固定されている。

【００２４】図４は、Ａ−Ａの方向から見た図３の横断
面を示す。螺旋共振器２３は、絶縁板に形成された突起
２７の周囲に支持されている。該螺旋共振器は、隣の空
洞の中の共振器に結合スロット３９を通して結合され
る。

【００２５】次に図５及び図６を参照して本発明を説明
する。

【００２６】図５は、本発明の螺旋共振器フィルターを
示す。結合リンクとして作用するストリップ構造は絶縁
板に付加されており、これにより螺旋フィルター構造が
非常にコンパクトになる。共振器４０、４１、及び４２
の間の結合は、結合スロット４３及び４４の他に結合リ
ンク４５及び４６によって実現されており、これらの結
合リンクは、本発明により、リンク結合に生ずる変化と
スロット結合に生ずる変化とを相殺するために螺旋の軸
に対して斜めに設けられている。このデザインについて
次に詳しく説明する。スロット及びストリップ（リン
ク）の共同作用によって所望の大きさの結合が形成され
る。螺旋共振器の一番上のターンに蓄えられた電界は容
量性結合スロットを通して隣の共振器に入り込む。更
に、螺旋の上側部分の電界のエネルギーと螺旋共振器の
一番下側のターンの磁界のエネルギーとは結合リンクを
通して隣の共振器に移動される。螺旋の内側にあって、
電磁的結合を実際に生じさせる結合リンクの部分は、各
共振器の結合部分と呼ばれる。螺旋と、その内側にある
該結合部分との結合は、一般にその結合部分が螺旋のタ
ーンに近いほど強くなる。

【００２７】螺旋の動き（ずれ）に起因してリンク結合
及びスロット結合に生じる各変化を相殺するという本発
明の思想は、結合リンク及び結合スロットを図５に示さ
れているように設計することによって実現される。螺旋
が支持構造から上方へ動くと、螺旋の上側部分の結合ス
ロットに対向するターンの数が増えるので、スロット結
合が強まる。この強化は、結合部分が絶縁板上で螺旋の
軸に対して斜めに配置されているためにリンク結合が弱
まることによって相殺される。螺旋の上側部分の中にあ
る結合部分は螺旋の軸に最も近く、従って螺旋のターン
からは最も遠く離れている。螺旋が上方に移動して行く
と、結合部分までの距離が増大して結合部分との電界の
結合が弱まって行く。

【００２８】図６は、本発明の螺旋共振器フィルターの
もう一つの好ましい実施例を示す。共振器４７及び４８
の結合は容量性スロット５０及び結合ストリップ５１に
よって実現される。共振器４８及び４９の結合は容量性
スロット５２により実現される。結合ストリップ５１の
形状は、スロット結合が最も弱くなる螺旋の下側部分で
は螺旋のターンからのストリップの枝の合計の距離が最
も小さくなってリンク結合が最も強くなるために該スト
リップ及びスロットに対する螺旋の相対的位置とは無関
係に結合の強さが一定に保たれるように、設定されてい
る。

【００２９】本発明による螺旋共振器フィルターの特に
好ましい適用対象は、図３、図４、図５、及び図６に示
されているフィンランド特許ＦＩ７８１９８号（米国特
許５０４７７３９）の基本構造であり、該螺旋共振器
は、表面にストリップライン構造が形成される絶縁板が
同時に螺旋共振器のための機械的支持体として機能する
ように、ストリップライン構造に集積される。この構造
は櫛構造型螺旋共振器と呼ばれる。殆ど余分のコストを
要することなく該構造に含まれる絶縁板上に本発明の結
合リンクを容易に形成することができる。結合リンク
は、図２のＵ型金属導体のような個別の（ディスクリー
トな）部品ではなくて、絶縁板上に集積される。該結合
リンクを種々の変形フィルターでの種々のサイズ及びタ
イプの結合に使用し得るように簡単に改造することがで
きる。電界又は磁界を通して結合される在来の共振器と
比べると、この構造は、螺旋共振器の容量性結合及び誘
導性結合の比及び強さを自由に調整し得る構造であるの
で、フィルターの設計に新しい成功の見込みと自由度と
を提供するものである。更に、部品やストリップ構造を
追加して所望の周波数での減衰をさらにフィルターに与
えることによって、結合度を選択することができる。

【００３０】添付図面の構造を参照して本発明を説明し
たけれども、本発明はこれに限定されるものではなく
て、特許請求の範囲の欄に記載されている発明思想の範
囲内で種々に変更し得るものである。例えば、螺旋共振
器の数を変更し得るとともに、種々の部分の寸法及びデ
ザインを種々に変更し得る。

【００３１】更に、本発明は特定のフィルター技術又は
用途に限定されるものではなく、異なった周波数、好ま
しくはＵＨＦやＶＨＦ等の種々の無線周波で例えば螺旋
フィルター、同軸フィルター、誘電体フィルターなどの
種々のフィルター技術を利用して種々の用途に適用され
得るものである。

【００３２】

【発明の効果】本発明の結合装置は、種々のサイズの結
合スロットを標準のスロットと置き換えることを可能に
し、且つ、リンク部材が、共振器部材の動きに起因する
リンク結合及びスロット結合の強さの変化が相互に同じ
大きさで逆符号となるようにされているので、共振器同
士の結合を共振器構造の製造許容誤差、特に結合素子と
の関係での共振器の取り付け精度に対して不感とする共
振器フィルター構造を提供するものであり、現在用いら
れている従来技術と比べて著しい改良である。

【００３３】本発明の構造では良好な再現性と機械的単
純性が得られるので、フィルターの大量生産が可能とな
り、生産性が向上し製造コストが下がる。再現性の問題
があるために従来は使用困難であった回路技術が今や可
能となり、生産の効率が向上する。

【図面の簡単な説明】

【図１】共振器同士がスロット結合器によって結合され
ている公知の螺旋共振器フィルターの１例を示す図であ
る。

【図２】共振器同士がリンク結合器によって結合されて
いる公知の螺旋共振器フィルターの他の例を示す図であ
る。

【図３】共振器同士がスロット結合器によって結合され
ている公知の伝送共振器フィルターを示す図である。

【図４】方向Ａ−Ａから見た図３の構造を示す図であ
る。

【図５】スロット結合及びリンク結合の両方によって共
振器同士を結合させた、本発明の共振器フィルターの１
実施例を示す図である。

【図６】本発明の共振器フィルターの他の実施例を示す
図である。

【符号の説明】

１…空洞のセット ４０、４１、４２、４７、４８、４９…共振器 ４３、４４、５０、５２…結合スロット ４５、４６、５１…結合リンク（結合ストリップ） ５３…仕切壁

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 導電性の材料から作られた空洞のセット
   （１）と、 この空洞のセットの中に配置された第１伝送線共振器
   （４０）及び第２伝送線共振器（４１）と、 前記の第１及び第２の伝送線共振器の間に置かれてい
   て、電磁界を通してこの第１及び第２の伝送線共振器を
   互いに結合させるための結合スロット（４３）を有す
   る、電気伝導性の材料から作られている仕切壁（５３）
   と、 前記仕切壁の一方の側から他方の側へ延在する電気伝導
   性材料のリンク部材（４５，５１）とから成っており、 該リンク部材（４５，５１）は各伝送線共振器に結合部
   分を備えており、該共振器はこの結合部分に電磁的に結
   合されており、該共振器の部材から前記結合部分までの
   距離は、該結合スロット（４３，５０）に近い部分では
   該結合スロットから遠い部分よりも長いことを特徴とす
   る無線周波フィルター。
2. 【請求項２】 該共振器のための支持構造として作用す
   る絶縁板を備えており、その表面に、前記リンク部材を
   構成するレイアウトが導電材料で形成されている、請求
   項１に記載の無線周波フィルター。
3. 【請求項３】 前記リンク部材は個別の導体である、請
   求項１に記載の無線周波フィルター。
4. 【請求項４】 該共振器は螺旋共振器である、請求項１
   〜３のいずれか一項に記載の無線周波フィルター。