KR20100135163A - 고주파 필터 장치 - Google Patents

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KR20100135163A
KR20100135163A KR1020097025054A KR20097025054A KR20100135163A KR 20100135163 A KR20100135163 A KR 20100135163A KR 1020097025054 A KR1020097025054 A KR 1020097025054A KR 20097025054 A KR20097025054 A KR 20097025054A KR 20100135163 A KR20100135163 A KR 20100135163A
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아키라 에노키하라
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파나소닉 주식회사
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Abstract

고주파 필터 장치는, 유전체층(1)과, 상기 유전체층(1)의 양면(兩面)에 형성된 대향하는 1쌍의 도체층(4, 5)과, 1쌍의 도체층(4, 5)을 단락하도록 형성된 복수의 차폐 비어 도체(8)와, 차폐 비어 도체(8)에 의해서 형성된 도파관 공진기 부분(9)과, 도체층(4)의 표면에 형성된 다른 유전체층(2)과, 유전체층(2)의 표면에 형성된 1쌍의 스트립 도체(6)와, 1쌍의 입출력 결합 비어 도체(10)를 구비한다. 1쌍의 입출력 결합 비어 도체(10)는, 도체층(4)과 도파관 공진기 부분(9)을 도체층(4)에 접촉하지 않도록 관통되어 있으며, 한 쪽의 끝이 도체층(5)에 접속되고, 다른 쪽의 끝은 1쌍의 스트립 도체(6)에 각각 접속되어 있어, 고주파 신호를 입력함으로써, 도파관 공진기 부분(9)에 있어서 적어도 기본 공진 모드와 2차 공진 모드가 여진(勵振)된다.

Description

고주파 필터 장치{HIGH-FREQUENCY FILTER DEVICE}
본 발명은, 밀리파대(millimeter-wave band) 등의 고주파 신호를 이용한 무선 장치나, 밀리파대 등의 고주파 신호를 처리하는 고주파 회로에 이용되는 필터 장치에 관한 것이다.
고주파 통신 시스템에 있어서는, 필터는 불가결한 요소이다. 이동체 통신 시스템 등에 있어서는, 주파수 대역의 유효한 이용을 위해서, 협대역(narrow band)의 필터가 요구된다. 또한, 이동체 통신의 기지국이나 통신 위성 등에 있어서는, 협대역에서 저손실이고 또한 소형으로, 큰 전력을 견디어낼 수 있는 필터가 강하게 요망되고 있다. 또한, 최근 개발이 진행되고 있는 밀리파 혹은 준 밀리파대의 무선통신 시스템에 있어서는, 종래에는, 공동(空洞) 도파관(導波管)에 의한 필터가 이용되어 왔지만, 여기에서도 소형으로 저손실인 필터가 강하게 요구되고 있다.
현재 이용되고 있는 공진기(共振器) 필터 등의 고주파 회로 소자로서, 전송 선로 구조를 사용한 것이 있다. 전송 선로 구조를 이용한 고주파 회로 소자는, 소형으로, 기판 상에 형성하는 2차원적인 구조이며, 다른 회로나 소자와의 조합이 용이하므로, 널리 이용되고 있다.
밀리파대 등에 있어서는, 공동 도파관 필터를 소형화하는 것을 목적으로, 유 전체 기판의 양면에 형성된 도체층과, 도체층끼리를 단락시키는 비어(via)에 의해 구성되는 의사(擬似) 유전체 도파관을 이용한 필터가 있다. 도 13은, 이러한 종래 기술의 필터의 일례로서, 특허 문헌 1에 기재한 필터를 나타내는 사시도이며, 도 14는 그 평면도이다. 도 13 및 도 14를 참조하면, 유전체 기판(21)의 1면에 표면 도체(22)가, 반대 측의 면에 이면(裏面) 도체(23)가 형성되어 있다. 표면 도체(22)와 이면 도체(23)를 접속하는 비어 홀(via hole)(24)이, 신호 전송 방향에 2열 형성되어 있다. 중앙의 공진기 상부의 표면 도체(22)에는, 부분적으로 도체가 제거된 슬릿(26)이 형성되어 있다. 슬릿(26)은, 신호 방향에 직각으로 배치하는 것이 바람직하다. 양단(兩端)의 공진기 상부의 표면 도체(22)에는, 부분적으로 도체가 제거된 슬릿(27, 28)이 형성되어 있다. 슬릿(28)에는, 표면 도체(22)에 형성된 코플래너 선로(coplanar line)(29)가 접속되어 있다. 각각의 비어 홀(24)의 간격 L4는, 관 내 파장의 2분의 1 이하가 바람직하다. 이 구조는, 유전체 기판(21)의 두께(짧은 변 방향)와, 2열로 늘어서는 비어 홀(24)의 간격 L5(긴 변 방향)를 도파관 단면으로 하는 의사 도파관으로 간주할 수 있다. 도파관 내에는, 또한 비어 홀(25)의 쌍이 형성되어 있으며, 공진 길이를 L1, L2, L3으로 하는 공진기가 형성된다. 여기서 쌍이 되는 비어 홀(25)의 간격 L6을 적절하게 선택함으로써, 공진 주파수 이외의 주파수를 반사시킬 수 있다. 한편 공진 주파수에서는, 신호는 통과하여, 원하는 필터 성능을 얻을 수 있다.
(특허 문헌 1)
일본국 특개2002-026611호 공보.
(발명이 해결하려고 하는 과제)
그러나, 전송 선로 구조를 이용한 필터는, 도체 손실의 영향이 크고, 밀리파대 등의 높은 주파수 신호를 다룰 경우에는, 저손실 혹은 가파른 특성의 필터를 실현하는 것은 곤란하다.
유전체 도파관에서는, 공진 모드의 효율적인 여진(勵振) 방법이 과제이며, 그 때문에, 특허 문헌 1에서는, 한 쪽 도체층에 코플래너 선로를 형성하고, 그것을 이용해서 기본 공진 모드와 결합하는 구성이 설명되어 있다. 또한, 기본 모드만이 여진되는 공진기를 복수 개 결합시켜서 필터로 하고 있으므로, 공진기 간 결합부의 비어(25)에 의한 손실도 생긴다.
더욱이, 특허 문헌 1의 구성에서는, 입출력 결합도가, 도체 패턴(예를 들면 슬릿(27, 28))과 비어 홀 군(群)(24)과의 상대 위치 관계에 의해 결정된다. 일반적으로, 배선 프로세스나 비어 형성 프로세스는 미세화도 진행되고, 동일면 내에서의 배선이나, 동일층 내에서의 비어 간의 상대 위치 정밀도는 해마다 향상되고 있다. 그러나, 특허 문헌 1의 구성에서는, 제조 오차의 영향을 받기 쉽다고 하는 과제가 있다. 이것은, 배선 패턴 단독, 혹은 비어 형성 프로세스 배선 패턴 제조 프로세스와 비어 형성 프로세스라고 하는 상이한 제조 프로세스의 위치 맞춤 오차가, 심각한 오차 요인으로 될 수 있기 때문이다.
본 발명의 목적은, 상기 과제를 감안해서 이루어진 것이며, 간단한 구성으로, 제조 오차의 영향을 받기 어렵고, 저손실의 고주파 필터 장치를 제공하는 것에 있다.
(과제를 해결하기 위한 수단)
본 발명의 특징에 관련하는 고주파 필터 장치에 의하면,
제1유전체층과,
상기 제1유전체층의 상면에 형성된 제1도체층과,
상기 제1유전체층의 하면에 형성된 제2도체층과,
상기 제1유전체층에 있어서 상기 제1 및 제2도체층을 단락하도록 각각 형성되어, 상기 제1유전체층 내에 있어서의 신호 파장의 반 이하의 간격을 서로 가지고 각각 배치된 복수의 차폐 비어 도체와,
상기 제1유전체층에 있어서, 주위가 상기 차폐 비어 도체에 의해 포위되고, 또한 내부에 상기 차폐 비어 도체가 존재하지 않는 영역으로서 형성된 도파관 공진기 부분과,
상기 도파관 공진기 부분 내의 제1의 위치에 형성된 제1입출력 결합 비어 도체와,
상기 도파관 공진기 부분 내의 상기 제1의 위치와는 다른 제2의 위치에 형성된 제2입출력 결합 비어 도체를 구비한 고주파 필터 장치로서,
상기 제1입출력 결합 비어 도체의 일단(一端)은, 상기 제1 및 제2도체층의 한 쪽에 단락되고, 상기 제1입출력 결합 비어 도체의 타단(他端)은, 상기 제1 및 제2도체층의 다른 쪽에 설치된 제1입출력 단자에 접속되고,
상기 제2입출력 결합 비어 도체의 일단은, 상기 제1 및 제2도체층의 한 쪽에 단락되고, 상기 제2입출력 결합 비어 도체의 타단은, 상기 제1 및 제2도체층의 다른 쪽에 설치된 제2입출력 단자에 접속되고,
상기 제1 및 제2입출력 단자의 한 쪽에 고주파 신호를 입력함으로써, 상기 도파관 공진기 부분에 있어서 적어도 기본 공진 모드와 2차 공진 모드가 여진되는 것을 특징으로 한다.
상기 고주파 필터 장치에 있어서,
상기 제1입출력 결합 비어 도체의 일단은 상기 제1도체층에 단락되고, 상기 제1입출력 결합 비어 도체의 타단은, 상기 제2도체층에 설치된 상기 제1입출력 단자에 접속되고,
상기 제2입출력 결합 비어 도체의 일단은 상기 제1도체층에 단락되고, 상기 제2입출력 결합 비어 도체의 타단은, 상기 제2도체층에 설치된 상기 제2입출력 단자에 접속되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 고주파 필터 장치에 있어서,
상기 제1입출력 결합 비어 도체의 일단은 상기 제1도체층에 단락되고, 상기 제1입출력 결합 비어 도체의 타단은, 상기 제2도체층에 설치된 상기 제1입출력 단자에 접속되고,
상기 제2입출력 결합 비어 도체의 일단은 상기 제2도체층에 단락되고, 상기 제2입출력 결합 비어 도체의 타단은, 상기 제1도체층에 설치된 상기 제2입출력 단자에 접속되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 고주파 필터 장치에 있어서,
상기 도파관 공진기 부분은, 소정의 폭 및 소정의 길이의 구형(矩形) 형상을 갖추고,
상기 제1 및 제2입출력 결합 비어 도체는, 상기 도파관 공진기 부분의 길이 방향의 중심선 상에서, 또한 상기 도파관 공진기 부분의 중심에 대하여 대칭으로 소정의 간격으로 배치되고,
상기 도파관 공진기 부분의 폭은, 상기 제1유전체층 내에 있어서의 신호 파장의 0.5배로부터 1배의 사이이며,
상기 도파관 공진기 부분의 길이는, 상기 도파관 공진기 부분의 폭의 2배보다도 크고,
상기 제1 및 제2입출력 결합 비어 도체의 간격은 상기 도파관 공진기 부분의 폭보다도 큰 것을 특징으로 한다.
또한 더욱이, 상기 고주파 필터 장치에 있어서, 상기 제1 및 제2입출력 단자의 한 쪽에 고주파 신호를 입력함으로써, 상기 도파관 공진기 부분에 있어서 적어도 기본 공진 모드와 2차 공진 모드와 3차 공진 모드가 여진되는 것을 특징으로 한다.
(발명의 효과)
본 발명에 관련하는 고주파 필터 장치에 의하면, 종래의 유전체 도파관형의 필터에 대하여, 유전체 도파관 공진기의 2개 이상의 공진 모드와 동시에 결합할 수 있으므로, 간편한 구성으로 2단(段) 필터 또는 3차 이상의 다단(多段) 필터가 실현된다. 또한, 2개 이상의 공진 모드를 동시에 결합하므로, 원하는 필터 특성 실현을 위해서 필요한 공진기 수를 저감할 수 있고, 결과로서 공진기 간 결합부의 비어 도체부에 있어서의 손실의 저감이 가능하게 된다. 또한, 비어 도체만의 상대 위치 관계에 의해서 필터 특성이 결정되므로, 패턴의 포갬 오차의 영향이 없고, 제품 수율 향상을 기대할 수 있다.
도 1은 본 발명의 제1실시형태에 관련하는 고주파 필터 장치의 구성을 나타내는 평면도.
도 2는 도 1의 A-A' 선에 있어서의 단면도.
도 3은 도 1의 필터 장치의 사시도.
도 4는 본 발명의 제2실시형태에 관련하는 고주파 필터 장치의 구성을 나타내는 평면도.
도 5는 도 4의 A-A' 선에 있어서의 단면도.
도 6은 본 발명의 각각의 실시형태에 관련하는 고주파 필터 장치의 입출력 결합 비어 도체(10-1, 10-2)에 의해서 생기는 자력선(13)을 모식적으로 그린 도면.
도 7은 본 발명의 각각의 실시형태에 관련하는 고주파 필터 장치의 도파관 공진기 부분(9)에 여진되는 기본 공진 모드(TEO11 모드)의 자력선(13)을 모식적으로 그린 도면.
도 8은 본 발명의 각각의 실시형태에 관련하는 고주파 필터 장치의 도파관 공진기 부분(9)에 여진되는 2차 공진 모드(TEO12 모드)의 자력선(13)을 모식적으로 그린 도면.
도 9는 본 발명의 각각의 실시형태에 관련하는 고주파 필터 장치의 도파관 공진기 부분(9)에 여진되는 3차 공진 모드(TEO13 모드)의 자력선(13)을 모식적으로 그린 도면.
도 10은 본 발명의 제1실시형태의 제1실시예에 관련하는 고주파 필터 장치의 주파수 응답 특성의 실측 예를 나타내는 그래프.
도 11은 본 발명의 제1실시형태의 제1실시예에 관련하는 고주파 필터 장치에 있어서, 입출력 결합 비어 도체(10-1, 10-2) 간의 거리 D를 변화시켰을 때의 주파수 응답 특성의 실측 예를 나타내는 그래프.
도 12는 본 발명의 제1실시형태의 제2실시예에 관련하는 고주파 필터 장치의 주파수 응답 특성의 실측 예를 나타내는 그래프.
도 13은 종래 기술의 필터의 사시도.
도 14는 도 13의 필터의 상면도.
*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
1, 2, 3: 유전체층
4, 5: 도체층
6, 7: 스트립(strip) 도체
8: 차폐 비어 도체
9: 도파관 공진기 부분
10-1, 10-2: 입출력 결합 비어 도체
11-1, 11-2: 관통 구멍
12-1, 12-2: 입출력 단자
13: 자력선
이하에, 도면을 참조하면서, 본 발명의 실시형태를 설명한다.
(제1실시형태)
우선, 도 1 내지 도 3을 참조하면서, 본 발명의 제1실시형태에 관련하는 고주파 필터 장치에 대해서 설명한다. 도 1은, 본 실시형태의 고주파 필터 장치의 구성을 나타내는 평면도이며, 도 2는, 도 1의 A-A' 선에 있어서의 단면도이고, 도 3은, 그 사시도이다.
도 1 내지 도 3에 나타낸 바와 같이, 본 실시형태의 고주파 필터 장치는, 유전체층(1)과 유전체층(2)이 적층되어 있으며, 상기 유전체층(1)의 양면에 도체층(4)과 도체층(5)이 형성되어 있고, 상기 도체층(4, 5)을 단락하도록 복수의 비어 도체가 차폐 비어 도체(8)로서 형성되어 있다. 유전체층(1)에는, 소정의 영역 L×a에 걸쳐서, 주위가 차폐 비어 도체(8)에 의해서 포위되고, 또한 내부에 차폐 비어 도체(8)가 존재하지 않는 영역인 도파관 공진기 부분(9)이 형성된다. 상기 차폐 비어 도체(8)는 도면과 같이, 도파관 공진기 부분(9)을 둘러싸도록, 어떤 일정한 거리 이하의 간격을 서로 가지고 각각 배치되어 있다. 상기 일정한 거리는, 사용하는 신호 파장의 1/2 이하이면 차폐 비어 도체로서의 기능을 발휘한다.
또한, 유전체층(1, 2)에 끼워진 도체층(4)에는, 도파관 공진기 부분(9) 내에 포함되도록, 소정의 거리 D만큼 이격(離隔)해서 관통 구멍(11-1, 11-2)이 형성된 다. 도파관 공진기 부분(9)에 공진 모드를 여진하기 위한 입출력 포트로서, 유전체층(2)과, 도체층(4)에 형성된 관통 구멍(11-1)과, 유전체층(1)을 관통하는 비어 도체가 입출력 결합 비어 도체(10-1)로서 설치되어, 입출력 결합 비어 도체(10-1)의 한 쪽 끝이 도체층(5)에 접속되고, 다른 쪽 끝은 유전체층(2)의 표면에 형성된 스트립 도체(6)의 일단(입출력 단자(12-1)로서 도시한다)에 접속되어 있다. 따라서, 입출력 결합 비어 도체(10-1)는, 도파관 공진기 부분(9) 내의 소정의 제1의 위치에 있어서, 도체층(4)에 접촉하는 일 없이 도체층(5)과 스트립 도체(6)를 단락하도록 형성되어 있다. 마찬가지로, 도파관 공진기 부분(9)에 공진 모드를 여진하기 위한 또 1개의 입출력 포트로서, 유전체층(2)과, 도체층(4)에 형성된 관통 구멍(11-2)과, 유전체층(1)을 관통하는 비어 도체가 입출력 결합 비어 도체(10-2)로서 설치되고, 입출력 결합 비어 도체(10-2)의 한 쪽 끝이 도체층(5)에 접속되고, 다른 쪽 끝은 유전체층(2)의 표면에 형성된 스트립 도체(7)의 일단(입출력 단자(12-2)로서 도시한다)에 접속되어 있다. 따라서, 입출력 결합 비어 도체(10-2)는, 도파관 공진기 부분(9) 내의 제1의 위치와는 다른 소정의 제2의 위치에 있어서, 도체층(4)에 접촉하는 일 없이 도체층(5)과 스트립 도체(7)를 단락하도록 형성되어 있다. 이 스트립 도체(6, 7)와 유전체층(2)과 도체층(4)으로, 각각, 마이크로 스트립 선로의 신호 선을 구성한다. 또한, 스트립 도체(6, 7)의 타단은 각각, 필터 장치에의 고주파 신호의 입출력에 사용한다.
여기서, 도파관 공진기 부분(9)의 형상과 치수를, 유전체층(1)의 비유전율 (εr） 및 사용하는 신호 주파수를 바탕으로 적절하게 선택하면, 도파관 공진기 부분(9)에 기본 공진 모드와 2차 공진 모드를 존재시킬 수 있다. 도파관 공진기 부분(9)의 형상과 치수를 더욱 적절하게 선택하면, 도파관 공진기 부분(9)에, 또한 3차 공진 모드도 존재시킬 수 있다.
그래서, 기본 공진 모드 및 2차 공진 모드와의 결합이 취해지는 위치에 1쌍의 입출력 결합 비어 도체(10-1, 10-2)를 배치하면, 입출력 단자(12-1, 12-2)로부터 2단 필터로서의 특성이 실현된다. 또한, 3차 이상의 고차(高次) 모드까지 이용하면, 또한 다단 필터로서, 투과 대역의 광대역화와 평탄화가 실현 가능하다. 본 구성에 한정하지 않고, 모든 공진기 결합형 필터에 대해서 말할 수 있는 것이지만, 원하는 주파수보다도 고주파 수 측에는 고차 공진 모드가 존재할 수 있으므로, 통과 대역 근방에 있어서 불필요한 고차 공진 모드와의 결합이 일어나지 않는 위치에 입출력 결합 비어 도체를 배치하면, 보통의 대역 필터로서의 특성을 발휘시키는 것이 가능하다.
(제2실시형태)
본 발명의 고주파 필터 장치에 관한 다른 실시형태에 대해서, 도 4 및 도 5를 참조하면서 설명한다. 도 4는, 본 실시형태의 고주파 필터 장치의 구성을 나타내는 평면도이고, 도 5는, 그것의 A-A' 선에 있어서의 단면도이다.
도 4 및 도 5에 나타낸 바와 같이, 본 실시형태의 고주파 필터 장치는, 유전체층(1)과 유전체층(2)과 유전체층(3)이 적층되어 있으며, 상기 유전체층(1)의 양 면에 도체층(4)과 도체층(5)이 형성되어 있고, 상기 도체층(4, 5)을 단락하도록 복수의 비어 도체가 차폐 비어 도체(8)로서 형성되어 있다. 유전체층(1)에는, 소정의 영역에 걸쳐서, 주위가 차폐 비어 도체(8)에 의해서 포위되고 또한 내부에 차폐 비어 도체(8)가 존재하지 않는 영역인 도파관 공진기 부분(9)이 형성된다. 상기 차폐 비어 도체(8)는 도면과 같이, 도파관 공진기 부분(9)을 둘러싸도록, 어떤 일정한 거리 이하의 간격을 서로 가지고 각각 배치되어 있다. 상기 일정한 거리라는 것은, 사용하는 신호의 유전체층 내에서의 파장의 1/2 이하이면 차폐 비어 도체로서의 기능을 발휘한다.
또한, 이 도파관 공진기 부분(9)에 공진 모드를 여진하기 위한 입출력 포트로서, 유전체층(2)과, 도체층(4)에 형성된 관통 구멍(11-1)과, 유전체층(1)을 관통하는 비어 도체가 입출력 결합 비어 도체(10-1)로서 설치되어, 입출력 결합 비어 도체(10-1)의 한 쪽 끝이 도체층(5)에 접속되고, 다른 쪽 끝은 유전체층(2)의 표면에 형성된 스트립 도체(6)의 일단(입출력 단자(12-1)로서 도시한다)에 접속되어 있다. 따라서, 입출력 결합 비어 도체(10-1)는, 도파관 공진기 부분(9) 내의 소정의 제1의 위치에 있어서, 도체층(4)에 접촉하는 일 없이 도체층(5)과 스트립 도체(6)를 단락하도록 형성되어 있다. 스트립 도체(6)와 유전체층(2)과 도체층(4)으로, 마이크로 스트립 선로의 신호 선을 구성한다. 또한, 도파관 공진기 부분(9)에 공진 모드를 여진하기 위한 또 1개의 입출력 포트로서, 유전체층(3)과, 도체층(5)에 형성된 관통 구멍(11-2)과, 유전체층(1)을 관통하는 비어 도체로서 입출력 결합 비어 도체(10-2)가 설치되어, 입출력 결합 비어 도체(10-2)의 한 쪽 끝이 도체층(4)에 접속되고, 다른 쪽 끝은 유전체층(3)의 표면에 형성된 스트립 도체(7)의 일단(입출력 단자(12-2)로서 도시한다)에 접속되어 있다. 따라서, 입출력 결합 비어 도체(10-2)는, 도파관 공진기 부분(9) 내의 제1의 위치와는 다른 소정의 제2의 위치에 있어서, 도체층(5)에 접촉하는 일 없이 도체층(4)과 스트립 도체(7)를 단락하도록 형성되어 있다. 스트립 도체(7)와 유전체층(3)과 도체층(5)으로, 마이크로 스트립 선로의 신호 선을 구성한다. 또한, 스트립 도체(6, 7)의 타단은 각각, 필터에의 고주파 신호의 입출력에 사용하는 것으로 한다.
여기서, 도파관 공진기 부분(9)의 형상과 치수를, 유전체층(1)의 비유전율(εr） 및 사용하는 신호 주파수를 바탕으로 적절하게 선택하면, 도파관 공진기 부분(9)에 기본 공진 모드와 2차 공진 모드가 존재할 수 있다. 도파관 공진기 부분(9)의 형상과 치수를 더욱 적절하게 선택하면, 도파관 공진기 부분(9)에, 또한 3차 공진 모드도 존재시킬 수 있다.
그래서, 기본 공진 모드 및 2차 공진 모드와의 결합이 취해지는 위치에 1쌍의 입출력 결합 비어 도체(10-1, 10-2)를 배치하면, 입출력 단자(12-1, 12-2)로부터 2단 필터로서의 특성이 실현된다. 또한, 3차 이상의 고차 모드까지 이용하면, 추가로 다단 필터로서, 투과 대역의 광대역화와 평탄화가 실현 가능하다. 본 구성에 한정하지 않고, 모든 공진기 결합형 필터에 대해서 말할 수 있는 것이지만, 원하는 주파수보다도 고주파 수 측에는 고차 공진 모드가 존재할 수 있으므로, 통과 대역 근방에 있어서 불필요한 고차 공진 모드와의 결합이 일어나지 않는 위치에 입 출력 결합 비어 도체를 배치하면, 보통의 대역 필터로서의 특성을 발휘시키는 것은 가능하다.
여기서, 제1 및 제2실시형태에 있어서, 더욱 바람직한 구성에 대해서 설명한다.
도파관 공진기 부분(9)으로서는, 도 1 내지 도 5에 나타낸 바와 같이 구형 형상이 바람직하고, 지금, 이 구형의 폭을 a, 길이를 L이라고 하면, 이 도파관 공진기 부분(9)은, 폭이 a의 구형 도파관이 길이 L로 종단되어 있는 공진기라고 생각할 수 있다. 이러한 도파관의 최저차의 전파 모드는 TEO1 전파 모드이며, 도파관으로서 정상적으로 동작하기 위해서는, 사용하는 주파수 범위로, TEO1 전파 모드가 컷오프(cutoff)되지 않고, 또한, 2차의 전파 모드(TEO2 전파 모드) 이후가 컷오프되는 것이 바람직하다. 지금, 사용하는 신호 주파수를 f로 하고, 이용하는 유전체층(1)의 비유전율을 εr이라고 하면, 바람직한 도파관 공진기 부분(9)의 폭 a의 범위는 아래와 같다.
[식 1]
Figure 112009074072744-PCT00001
[식 2]
Figure 112009074072744-PCT00002
여기서, λ는, 비유전율 εr의 매질(媒質) 중을 전파하는 주파수 f의 전자파의 파장이고, c0은 진공 중의 광속이다.
도파관 공진기 부분(9)은 양단이 단락되어 있으며, 이것에 의한 기본 공진 모드는 TEO11 공진 모드가 되고, 2차 공진 모드가 TEO12 공진 모드가 된다. 따라서, 도파관 공진기 부분(9)의 길이 L에 대해서는, 사용하는 신호 주파수 범위에 있어서, 적어도 TEO12 공진 모드가 존재하기 때문에, L>2a인 것이 바람직하다.
또한, 도파관 공진기 부분(9)의 길이 L이 폭 a의 5배를 초과하면, 3차 이후의 고차 공진 모드의 공진 주파수가 사용하는 주파수에 근접하게 되지만, 통과 대역 내에 3차 이상의 고차 공진 모드를 포함하는 것이 바람직하지 못할 경우에는, 모두 L<5a인 것이 더욱 바람직하다.
입출력 결합 비어 도체(10-1, 10-2)는 도파관 공진기 부분(9)의 내부에서 도체층에 직접 단락시키고 있기 때문에, 비어 도체에 흐르는 단락 전류에 의해, 도파관 공진기 부분(9)의 내부에, 도 6에 나타내는 바와 같은 비어 도체의 주위를 회전하는 방향의 강한 자계를 생기게 한다. 입출력 결합에 필요한 조건은, 이 자계에 의해서, TEO11 모드와 TEO12 모드가 함께 여진되며, 바람직하게는, 양쪽 모드보다 균등하게 결합하는 것이다. 도 7 및 도 8에, 차폐 비어 도체에 의해 형성된 도파관 공진기 부분(9)에 여진되는 TEO11 모드(도 7)와 TEO12 모드(도 8)의 자계 분포를 모식적으로 나타낸다. TEO11 모드는, 공진기의 중앙을 중심으로 한 와권(渦券) 형상이고, TEO12 모드의 자계는 공진기의 길이 방향에 2 등분한 부분으로, 각각, 역방향으로 와권된다. 입출력 결합 비어 도체(10-1, 10-2)가 양쪽 모드에 대하여 균등하게 결합하기 위해서 바람직한 결합 위치는, 입출력 결합 비어 도체(10-1, 10-2)가 도파관 공진기 부분(9)의 길이 방향의 중심선 상(도 1 중의 A-A' 선 상)에서, 도파관 공진기 부분(9)의 중심에 대하여 서로 대칭의 위치에 있는 것이 바람직하다.
또한, 1쌍의 입출력 결합 비어 도체(10-1, 10-2)의 간격 D에 대해서, 간격 D가 작아지면, 1쌍의 입출력 결합 비어 도체(10-1, 10-2)가 공진기의 중앙 부근에 근접해 오므로, TEO11 모드와의 결합 효율은 향상되지만, TEO12 모드는 공진기의 중앙에서 자계의 회전 방향이 반전(反轉)하므로 결합 효율이 급격하게 감소한다. 양쪽 모드와의 양호한 결합을 실현하기 위해서는, D>a인 것이 바람직하다.
더욱 바람직하게는, 입출력 결합 비어 도체(10-1, 10-2)는, 기본 공진 모드 및 2차 공진 모드에 대하여 결합하는 것에 추가해서, 또한 3차 공진 모드에 대하여도 결합한다. 도 9는, 본 발명의 각각의 실시형태에 관련하는 고주파 필터 장치의 도파관 공진기 부분(9)에 여진되는 3차 공진 모드(TEO13 모드)의 자력선(13)을 모식적으로 그린 도면이다. 도파관 공진기 부분(9)에, 기본 공진 모드, 2차 공진 모드 및 3차 공진 모드를 존재시켜, 입출력 결합 비어 도체(10-1, 10-2)를 이것들의 모드에 대하여 결합시킴으로써, 투과 대역의 광대역화와 평탄화가 실현 가능하다.
(제1실시예)
본원 발명을 더욱 잘 이해하기 위해서, 구체적인 실시예를 설명한다.
제1실시형태의 구성을 이용한 60GHz대에서의 2단 필터에 관한 구체적 실시예를 이하에 나타낸다. 유전체층(1)에, 두께 0.2mm와 비유전율 8을 갖는 세라믹스 재료를 이용하고, 도체층(4, 5)에는, 은(銀)에 의한 막(膜)을 이용하였다. 또한, 직경 0.1mm의 차폐 비어 도체를 0.5mm 간격으로 배치하고, 폭 a=1mm, 길이 L=3mm의 도파관 공진기 부분(9)을 형성하였다. 또한, 두께 0.1mm를 갖는 동일한 세라믹스 재료로 유전체층(2)을 형성하고, 그 위에 특성 임피던스가 50Ω인 마이크로 스트립 선로를 구성하는 스트립 도체(6)를 동일하게 은으로 형성하였다. 입출력 결합 비어 도체(10-1, 10-2)는, 도파관 공진기 부분(9)의 길이 방향의 중심선 상에, 중심 대칭으로 배치하고, 비어 도체 간격 D는 1.6mm로부터 2.2mm의 범위에서 변화시켜서 시작(試作)을 실행하였다.
도 10에, 실측한 특성의 일례를 나타낸다. 반사 손실에서 명료하게 2개의 극(極)이 존재하고 있으며, 양호한 대역 특성이 실현되고 있는 것을 알 수 있다. 대역 내의 통과 손실은 2dB 이하이며, 대단히 저손실의 특성이 얻어진다. 상기 2개의 극 중, 주파수가 낮은 쪽의 극이 TEO11 공진 모드에 대응하고, 높은 쪽의 극이 TEO21 공진 모드에 대응하고 있으며, 2개의 모드에 대하여 균등하게 결합하여, 양호한 대역 특성이 실현되고 있는 것을 알 수 있다. 또한, 통과 대역보다도 저 주파 측은, 도파관의 컷오프 영역으로 되므로 급격하게 감쇠량(減衰量)이 증가하고 있는 것을 알 수 있다. 따라서, 도 10의 특성은 원하는 주파수의 저역 측에 발생하는 누설파(漏洩波)의 필터링 등에는 대단히 적합한 특성이라고 말할 수 있다.
도 11에는, 입출력 결합 비어 도체(10-1, 10-2)의 간격 D를 변화시켰을 때의 반사 손실의 변화를 나타낸다. 먼저 설명한 대로, 간격 D를 작게 하면 TEO11 공진 모드와의 결합이 커지고, TEO21 공진 모드와의 결합이 작아져 있는 것을 알 수 있다.
또한, 본 구체적 실시예에서는, 유전체층으로서 세라믹스 재료를 예로 해서 설명하였지만, 이것에 한정되는 일은 없다. 세라믹스 재료나 수지 재료가 비교적 적합하게 되어 있지만, 그 밖에도 단결정 유전체 재료나 반도체 재료 등도 적용 가능하다.
본 발명의 실시형태에 관련하는 고주파 필터 장치에 있어서 이용 가능한 주파수 범위에 대해서는, 이론적으로는 제한은 없지만, 실질적으로는, 보통의 세라믹 재료나 수지 재료와 그 제조 프로세스를 이용할 경우, 10GHz∼200GHz의 범위가, 필터의 크기, 제조 정밀도의 관계에서 바람직한 범위이다.
본 발명의 실시형태에 관련하는 고주파 필터 장치의 특징에 대해서 설명한다. 특허 문헌 1의 필터의 제조에 있어서는, 배선 패턴 제조 프로세스와 비어 도체 형성 프로세스라고 하는 상이한 제조 프로세스의 위치 맞춤 오차가, 최대의 오차 요인으로 되며, 이것은 적층 기판을 이용한 일반적인 소자 구성에 있어서 배선 구조와 비어 도체 구조를 동시에 이용할 때에, 항상 중요한 과제이었다. 본 발명의 실시형태에 관련하는 고주파 필터 장치는, 도 1 내지 도 3으로부터도 알 수 있는 바와 같이, 도파관 공진기 부분(9) 주변에 형성된 비어 도체(차폐 비어 도체(8)와 입출력 결합 비어 도체(10-1, 10-2))의 상대 위치 관계만으로 기본적인 필터 특성이 결정된다. 동일층 내의 비어 도체는 단독의 제조 공정에서 일괄 형성되므로, 그 상대 위치 관계는 대단히 정밀도 좋게 제어할 수 있다. 따라서, 본 발명의 고주파 필터 장치에서는, 먼저의 적층 기판의 복수 제조 프로세스의 위치 맞춤 오차의 영향을 받는 일 없이, 재현성이 좋고, 또한, 제품 수율이 높은 필터 제조가 가능하게 된다.
또한, 본 발명의 고주파 필터 장치에서는, 입출력 결합 비어 도체(10-1, 10-2)에 의해, 1개의 공진기 속에 존재하는 기본 공진 모드와 2차 공진 모드의 2개의 공진 모드로 효율 좋은 결합이 실현되고 있다. 종래 예에서는 기본 공진 모드만을 여진하는 복수의 공진기로 단락짓고, 그것들을 직렬로 결합시키고 있었지만, 본 발명의 실시형태에서는 공진기를 복수로 단락짓는 것이 아니므로, 공진기를 결합할 때에 생기는 손실을 없애는 것이 가능하게 하였다. 이것에 의해, 도 10에 나타내는 바와 같은 저손실의 필터 동작을 실현하고 있다.
(제2실시예)
이어서, 제1실시형태의 구성을 이용한 60GHz대에서의 3단계 필터에 관한 구체적 실시예를 이하에 나타낸다. 본 실시예의 고주파 필터 장치에 있어서, 폭 a=1.03mm, 길이 L=3.5mm의 도파관 공진기 부분(9)을 형성하였다. 입출력 결합 비어 도체(10-1, 10-2)의 간격 D를 1.5mm로 형성하였다. 기타 파라미터는, 제1실시예의 것과 동일하다.
도 12에, 실측한 특성의 일례를 나타낸다. 제1실시예와는 상이하며, 반사 손실 특성에 3개의 명확한 극이 존재하고 있어, 더욱 넓은 대역에 있어서 양호한 통과 특성을 실현하고 있는 것을 알 수 있다. 대역 내에서의 삽입 손실은 3.5dB 이하이었다.
본 발명에 관련하는 고주파 필터 장치의 구성을 이용함으로써, 필터 소자가 적층 기판의 완전히 내층만을 이용한 구조가 되므로, 적층 기판의 표층을 안테나(antenna)나 칩 실장(chip mounting)에 이용함으로써, 기판 면적의 이용 효율이 비약적으로 향상된다. 또한, 단간(段間) 결합에 수반하는 손실이 없으므로 저손실이다. 또한, 입출력 결합에 비어 도체를 이용한 것이기 때문에, 비어 도체 간의 상대적 위치 관계에 의해 필터 특성이 결정되므로, 적층 기판에서 항상 문제가 되는 적층에 수반하는 패턴 변위의 영향을 받지 않고, 제품 수율이 높은 생산이 가능하게 된다고 하는 특징이 있다.

Claims (5)

  1. 제1유전체층과,
    상기 제1유전체층의 상면에 형성된 제1도체층과,
    상기 제1유전체층의 하면에 형성된 제2도체층과,
    상기 제1유전체층에 있어서 상기 제1 및 제2도체층을 단락(短絡)하도록 각각 형성되어, 상기 제1유전체층 내에 있어서의 신호 파장의 반(半) 이하의 간격을 서로 가지고 각각 배치된 복수의 차폐 비어 도체(shielding via conductor)와,
    상기 제1유전체층에 있어서, 주위가 상기 차폐 비어 도체에 의해 포위되고, 또한 내부에 상기 차폐 비어 도체가 존재하지 않는 영역으로서 형성된 도파관(導波管) 공진기 부분과,
    상기 도파관 공진기 부분 내의 제1의 위치에 형성된 제1입출력 결합 비어 도체와,
    상기 도파관 공진기 부분 내의 상기 제1의 위치와는 다른 제2의 위치에 형성된 제2입출력 결합 비어 도체를 구비한 고주파 필터 장치로서,
    상기 제1입출력 결합 비어 도체의 일단(一端)은, 상기 제1 및 제2도체층의 한 쪽에 단락되고, 상기 제1입출력 결합 비어 도체의 타단(他端)은, 상기 제1 및 제2도체층의 다른 쪽에 설치된 제1입출력 단자에 접속되고,
    상기 제2입출력 결합 비어 도체의 일단은, 상기 제1 및 제2도체층의 한 쪽에 단락되고, 상기 제2입출력 결합 비어 도체의 타단은, 상기 제1 및 제2도체층의 다 른 쪽에 설치된 제2입출력 단자에 접속되고,
    상기 제1 및 제2입출력 단자의 한 쪽에 고주파 신호를 입력함으로써, 상기 도파관 공진기 부분에 있어서 적어도 기본 공진 모드와 2차 공진 모드가 여진(勵振)되는 것을 특징으로 하는 고주파 필터 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1입출력 결합 비어 도체의 일단은 상기 제1도체층에 단락되고, 상기 제1입출력 결합 비어 도체의 타단은, 상기 제2도체층에 설치된 상기 제1입출력 단자에 접속되고,
    상기 제2입출력 결합 비어 도체의 일단은 상기 제1도체층에 단락되고, 상기 제2입출력 결합 비어 도체의 타단은, 상기 제2도체층에 설치된 상기 제2입출력 단자에 접속되는 것을 특징으로 하는 고주파 필터 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제1입출력 결합 비어 도체의 일단은 상기 제1도체층에 단락되고, 상기 제1입출력 결합 비어 도체의 타단은, 상기 제2도체층에 설치된 상기 제1입출력 단자에 접속되고,
    상기 제2입출력 결합 비어 도체의 일단은 상기 제2도체층에 단락되고, 상기 제2입출력 결합 비어 도체의 타단은, 상기 제1도체층에 설치된 상기 제2입출력 단자에 접속되는 것을 특징으로 하는 고주파 필터 장치.
  4. 제1항 내지 제3항 중의 어느 한 항에 있어서,
    상기 도파관 공진기 부분은, 소정의 폭 및 소정의 길이의 구형(矩形) 형상을 갖추고,
    상기 제1 및 제2입출력 결합 비어 도체는, 상기 도파관 공진기 부분의 길이 방향의 중심선 상에서, 또한 상기 도파관 공진기 부분의 중심에 대하여 대칭으로 소정의 간격으로 배치되고,
    상기 도파관 공진기 부분의 폭은, 상기 제1유전체층 내에 있어서의 신호 파장의 0.5배로부터 1배의 사이이며,
    상기 도파관 공진기 부분의 길이는, 상기 도파관 공진기 부분의 폭의 2배보다도 크고,
    상기 제1 및 제2입출력 결합 비어 도체의 간격은 상기 도파관 공진기 부분의 폭보다도 큰 것을 특징으로 하는 고주파 필터 장치.
  5. 제1항 내지 제4항 중의 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1 및 제2입출력 단자의 한 쪽에 고주파 신호를 입력함으로써, 상기 도파관 공진기 부분에 있어서 적어도 기본 공진 모드와 2차 공진 모드와 3차 공진 모드가 여진되는 것을 특징으로 하는 고주파 필터 장치.
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