WO2013183354A1 - 帯域通過フィルタ - Google Patents

Abstract

電気特性の劣化を防止するために、帯域通過フィルタは、互いに対向する上面および下面を持ち、導波路管軸方向に延在する誘電体基板、誘電体基板の上面および下面に設けられた一対の導体層と、導波路管軸方向に所定の間隔で、一対の導体層間を電気的に接続して形成された２列の側壁用スルーホール群と、一対の導体層間を電気的に接続し、導波路管軸方向に平行にかつ、一対の導体層と２列の側壁用スルーホール群とによって囲まれた領域に形成された導波路の中心に配列された複数のスルーホールと、を有する。

Description

帯域通過フィルタ

　本発明は、帯域通過フィルタに関し、特に、誘電体基板内に等価的に実現した帯域通過型導波管フィルタに関する。

　現在、高周波無線装置の開発において、各種高周波回路の一体化における低損失接続の実現と各々の要素回路の低価格化および量産化が要求されている。従って、高性能かつ高機能な特性を維持したまま、小スペースで高周波無線装置を実現することが鍵となっている。高周波無線装置のなかで、フィルタのような受動回路は、設計周波数でその物理寸法がほぼ決定されてしまう。そのため、各コンポーネントのフレキシブルな実装という観点で、フィルタのような受動回路は、自由度の少ない回路の一つでもある。
　関連の帯域通過フィルタにおいては、Ｈ面の中央で２分割された矩形導波管により、Ｅ面平行金属板を挟み込み、一つの導波管を構成することで実現している。この構造の場合、製作精度の高い機構部品である金属板と切削加工された矩形導波管とが必要になり、周辺の平面回路との接続および一体化という点で、実装スペースを要する。
　そこで、従来から、誘電体基板内に帯域通過型導波管フィルタを等価的に実現する技術が提案されている。
　例えば、特開平１１−２８４４０９号公報（特許文献１）は、生産性が高く小型化にも対応できる「導波管型帯域通過フィルタ」を開示している。この特許文献１に開示された導波管型帯域通過フィルタは、誘電体基板を挟持する一対の主導体層と、信号伝送方向に信号波長の２分の１未満の間隔で主導体層間を電気的に接続して形成された２列の側壁用貫通導体群とを具備している。一対の主導体層および２列の側壁用貫通導体群に囲まれた領域によって高周波信号を伝送する誘電体導波管線路の内部に、主導体層間を電気的に接続して誘導性窓（誘導性素子）を形成する複数の貫通導体が、信号伝送方向に管内波長の２分の１未満の間隔で配設されている。
　特許文献１の実施形態の一例において、複数の貫通導体は、誘電体導波管線路のほぼ中央部で幅方向に離間して最大の本数（実施の形態では、３本）形成され、中央部から信号伝送方向両側へ離れるにつれて、その本数が減少している。

特開平１１−２８４４０９号公報

　特許文献１に開示された導波管型帯域通過フィルタでは、複数の貫通導体が、誘電体導波管線路のほぼ中央部で幅方向に離間して複数本形成されているので、その貫通導体の位置が幅方向にばらついたときに電気特性が劣化するという問題がある。
　本発明の目的は、電気特性の劣化を防止することができる、帯域通過フィルタを提供することにある。

　本発明の帯域通過フィルタは、互いに対向する上面および下面を持ち、導波路管軸方向に延在する誘電体基板と、誘電体基板の上面および下面に設けられた一対の導体層と、導波路管軸方向に所定の間隔で、一対の導体層間を電気的に接続して形成された２列の側壁用スルーホール群と、一対の導体層間を電気的に接続し、導波路管軸方向に平行にかつ、一対の導体層と２列の側壁用スルーホール群とによって囲まれた領域に形成された導波路の中心に配列された複数のスルーホールと、を有する。

　本発明に帯域通過フィルタは、電気特性の劣化を防止することができる。

　図１は、関連の帯域通過型導波管フィルタの構成を示す一部切欠き分解斜視図である。
　図２は、図１に示した関連の帯域通過型導波管フィルタの、電磁界シミュレーションによるＳパラメータの周波数特性の解析結果を示す特性図である。
　図３は、本発明の第１の実施例に係る帯域通過フィルタの構造を示す透視斜視図である。
　図４は、図３に示した帯域通過フィルタの、電磁界シミュレーションによるＳパラメータの周波数特性の解析結果を示す特性図である。

［関連技術］
　図１を参照して、本発明の理解を容易にするために、関連の帯域通過型導波管フィルタ１０の構成について説明する。図１は関連の帯域通過型導波管フィルタ１０の構成を示す一部切欠き分解斜視図である。
　図１の例において、直交座標系（ｘ、ｙ、ｚ）は、左右（横）に延在するｘ方向と、上下に延在するｙ方向と、前後に延在するｚ方向とを持つ。ｘ方向、ｙ方向、ｚ方向は互いに直交している。ｘ方向は横方向又は幅方向とも呼ばれる。ｙ方向は上下方向、厚さ方向、又は高さ方向とも呼ばれる。ｚ方向は前後方向とも呼ばれる。尚、信号（電磁波）はｚ方向へ伝送（伝搬）される。したがって、ｚ方向は信号伝送方向（導波路管軸方向）とも呼ばれる。
　帯域通過型導波管フィルタ１０は、矩形導波管がＨ面の中央で２分割された矩形導波管側壁１１と、Ｅ面平行金属板１２とから構成される。２分割された矩形導波管側壁１１によってＥ面平行金属板１２を挟み込むことにより、一つの導波管（導波路）を構成する。Ｅ面平行金属板１２は、梯子状に配置された金属板の形状（板の厚さ、金属フィンの幅・間隔）により、帯域通過フィルタに必要な結合係数を決定する。
　各矩形導波管側壁１１は、断面コ字型をしており、７．９ｍｍの幅Ｗと、７．９ｍｍの高さ（厚さ）Ｈと、１２４ｍｍの長さＬ_１とを持つ。
　Ｅ面平行金属板１２は、上下方向（ｙ方向）に互いに離間して平行に配置され、信号伝送方向（ｚ方向）へ延在する２本の金属片１２２と、２本の金属片１２２の間に梯子状に配置された複数の金属板１２４とから構成される。金属板１２４は金属フィンとも呼ばれる。金属フィン１２４は、誘導性素子として働く。金属フィン１２４の形状（板の厚さ、金属フィンの幅・間隔）により、帯域通過フィルタに必要な結合係数が決定される。
　図２は、関連の帯域通過型導波管フィルタ１０の、電磁界シミュレーションによるＳパラメータの周波数特性の解析結果を示す特性図である。図２において、横軸は周波数［ＧＨｚ］を示し、縦軸はＳパラメータのＳ２１［ｄＢ］およびＳ１１［ｄＢ］を示す。
　この技術分野において周知のように、Ｓパラメータでは、Ｓ２１が挿入損失（インサーション・ロス）に相当し、Ｓ１１が反射損失（リターン・ロス）に相当する。挿入損失Ｓ２１は、信号を端子１（入力端子）に入力したときに、端子２（出力端子）に通過してくる信号（電力）の損失をｄＢ（デシベル）で表わしたものである。反射損失Ｓ１１は、信号を端子１（入力端子）に入力したときに、端子１（入力端子）に反射して戻ってくる信号（電力）の損失をｄＢ（デシベル）で表わしたものである。
　図１に示した関連の帯域通過型導波管フィルタ１０の構造の場合、作製精度の高い機構部品であるＥ面平行金属板１２と切削加工された一対の矩形導波管壁１１とが必要になり、周辺の平面回路との接続および一体化という点で、実装スペースを要する。
　一方、特許文献１に開示された導波管型帯域通過フィルタでは、複数の貫通導体が、誘電体導波管線路のほぼ中央部で幅方向に離間して複数本形成されているので、その貫通導体の位置が幅方向にばらついたときに電気特性が劣化するという問題がある。
［実施の形態］
　本発明の特徴について説明する。
　本発明の特徴は、誘電体基板内にスルーホールを配列することによって、導波路および誘導性結合素子を構成し、帯域通過型フィルタを実現したことにある。
　本発明では、金属めっきスルーホールを配列して導波管側壁として導波路とし、金属フィン部もスルーホールとして、上記と同等の帯域通過型フィルタを構成している。
　このような構成により、誘電体基板内にフィルタが実現でき、周辺の平面線路をベースとした高周波回路（ＲＦ回路）との接続および一体化に適する。また、金属板や矩形導波管等の、製作精度を要する機構部品も不必要で、比誘電率分だけ小型になり実装スペースの観点からも優位である。
　換言すれば、本発明では、上下両面金属張り誘電体基板内に金属めっきされたスルーホールを配列することによって帯域通過フィルタを実現している。従来のプリント基板加工技術により製作が可能で機構部品も不必要となる。また、基板の誘電率分だけ小型になり、かつ従来のプリント加工技術で製作が可能で、同一基板内での周辺の平面回路との接続・一体化にも適している。
　換言すれば、本発明の特徴は、従来の金属板や矩形導波管等の、機構部品を用いたＥ面帯域通過型導波管フィルタを、金属めっきされたスルーホールにより“置き換えて”構成した点にある。
　上記の観点から、計算負荷の小さい閉鎖導波路により初期設計し、最終的にスルーホールを考慮して設計できるので、設計の見通しが立ち易く設計性に優れている。
　スルーホールを基板厚方向に貫通して配列するのみで構成されるので、厚さ方向（ｙ方向）に一様な二次元構造で、製作および、解析および設計の点でも優位である。
　導波路中央部に位置するスルーホールは、導波路管軸（ｚ方向）と平行に配列して構成される。このように、結合係数を決定するためのスルーホールを導波管中心に配置したので、特許文献１のような、貫通導体の位置が幅方向（ｘ方向）にばらついたときに対する電気特性の劣化を防止することができる。何故なら、導波管内電磁界が管軸中心付近では正弦分布のピーク値となり、製作誤差に対する耐性があるからである。

　図３は、本発明の第１の実施例に係る、１３ＧＨｚ帯モデルの帯域通過フィルタ２０の構造を示す透視斜視図である。
　図３の例において、直交座標系（ｘ、ｙ、ｚ）は、左右（横）に延在するｘ方向と、上下に延在するｙ方向と、前後に延在するｚ方向とを持つ。ｘ方向、ｙ方向、ｚ方向は互いに直交している。ｘ方向は横方向又は幅方向とも呼ばれる。ｙ方向は上下方向又は厚さ方向とも呼ばれる。ｚ方向は前後方向とも呼ばれる。尚、信号（電磁波）はｚ方向へ伝送（伝搬）される。したがって、ｚ方向は信号伝送方向（導波路管軸方向）とも呼ばれる。
　図示の帯域通過フィルタ２０は、設計周波数１３．６ＧＨｚ、通過帯域２００ＭＨｚ、中心周波数±２００ＭＨｚ離れで４０ｄＢの減衰量という設計例とし、６段の構成としたものである。
　帯域通過フィルタ２０は、厚さＴが１．６ｍｍで、長さＬ_２が１００ｍｍの直方体形状の誘電体基板２１を有する。誘電体基板２１は、導波路管軸方向（ｚ方向）に延在している。誘電体基板２１の上面および下面には、金属から成る一対の導体層２２が張られている。
　誘電体基板２１には、幅方向（ｘ方向）に１０．８ｍｍの間隔Ｓだけ離間して、２列の金属めっきスルーホール２３が配置されている。金属めっきスルーホール２３は、一対の導体層２２を電気的に接続する。各列の金属めっきスルーホール２３は、約０．３波長以下の間隔で、導波路管軸方向（ｚ方向）に延在して配置され、側壁として働く。図示の例では、各列の金属めっきスルーホール２３は、直径１．２ｍｍのスルーホールを２．４ｍｍ間隔で配列して形成されている。
　一対の導体層２２と、２列の金属めっきスルーホール２３とによって囲まれた領域に、導波路（導波管）（２２；２３）が構成（形成）されている。
　したがって、図１の矩形導波管側壁１１に当たる部分が、図３の両側に配列された金属めっきスルーホール２３の部分に相当する。
　両側に配列された金属めっきスルーホール２３は、２列の側壁用スルーホール群とも呼ばれる。
　帯域通過フィルタ２０は、導波路（導波管）（２２；２３）の中心（中央）に配列された複数のスルーホール２４を更に備える。複数のスルーホール２４は、一対の導体層２２間を電気的に接続する。複数のスルーホール２４は、導波路管軸方向（ｚ方向）に平行にかつ、導波路（導波管）（２２；２３）の中心に配列されている。
　すなわち、帯域通過フィルタ２０は、図１の導波路Ｈ面中央に設けられたＥ面平行金属板１２に当たる誘導性素子１２４部分を、導波管（２２；２３）の中央に配列された金属めっきスルーホール２４により構成している。換言すれば、図１の金属フィン（誘導性素子）１２４に当たる部分が、図３の中央に配列された金属めっきスルーホール２４の部分に当たる。
　図１に示す帯域通過型導波管フィルタ１０では、Ｅ面平行金属板１２の、梯子状に配置された金属フィン１２４の形状により、所望の帯域通過フィルタに必要な結合係数を決定している。
　これに対して、図３に示す帯域通過フィルタ２０においては、導波路Ｈ面中央に配列された金属めっきスルーホール２４の数、半径、位置により、所望の帯域通過フィルタに必要な結合係数を決定している。ここでは、適切な結合係数を実現するため、スルーホール２４の直径を０．６ｍｍとした。この構造は、プリント加工技術により実現可能で、同一基板２１内で、周辺の平面回路との一体化にも適している。
　図示の例では、中央に配列された金属めっきスルーホール２４は、４本の集まりが５つと、１本が２つと、合計２２本ある。すなわち、中央に配列された金属めっきスルーホール２４は、１本と４本の集まりとが、間隔を空けて配列されている。但し、これらスルーホール２４の個数や配置位置は、これに限定されず、設計周波数によって種々に変更される。
　次に、図３に示した帯域通過フィルタ２０の動作および効果について説明する。
　Ｅ面（ｙ方向）に平行方向に、約０．３波長以下で配列された金属めっきスルーホール２３は、スルーホール２３間の電力の漏れ損も少ないので、誘電体基板２１内で等価的に金属壁として動作する。
　したがって、適切な位置に金属めっきスルーホール２３を配列することによって、従来のＥ面平行金属板１２による帯域通過型導波管フィルタ１０の金属壁部を、金属めっきスルーホール２３に置き換えることができる。
　本実施例によれば、切削加工された矩形導波管およびＥ面平行金属板のような立体的な機構部品を使用することなく、上下両面金属２２張り誘電体基板２１内に金属めっきスルーホール２３、２４を配列するという、従来のプリント加工技術により帯域通過型フィルタ２０を構成することができる。誘電体基板２１内に実現できるので、同一基板２１で平面線路をベースとした周辺の高周波回路との一体化にも適している。
　また、この構造は、厚さ方向（ｙ方向）に一様な構造であるため、任意の厚さの誘電体基板２１で実現することができるので、設計性にも優れている。
　誘電体基板２１内に構成するため、誘電体基板２１の比誘電率の平方根の逆数に比例して小型になり、実装スペースの観点からも利点がある。例えば、誘電体基板２１として、テフロン（登録商標）基板（比誘電率２．２）を使用した場合には、１３ＧＨｚ帯モデルでは、幅方向（ｘ方向）で１５．８ｍｍから１０．８ｍｍ、導波路管軸方向（ｚ方向）で１２４ｍｍから１００ｍｍに小型になる。
　一例として、図４に１３ＧＨｚ帯モデルの帯域通過フィルタ２０の、電磁界シミュレーションによるＳパラメータの周波数特性の解析結果を示す。図４において、横軸は周波数［ＧＨｚ］を示し、縦軸はＳパラメータのＳ２１［ｄＢ］およびＳ１１［ｄＢ］を示す。
　誘電体基板２１として、テフロン基板（比誘電率２．２、ｔａｎδ＝０．０００８５）を使用した場合、通過帯域幅約２００ＭＨｚ、２００ＭＨｚ離れの減衰量が約４０ｄＢを実現した。
　図２との比較から明らかなように、通過域の挿入損失Ｓ２１を除いては、減衰特性は関連の帯域通過導波管フィルタ１０（図１）とほぼ同等の特性を実現した。挿入損失Ｓ２１は、関連の帯域通過導波管フィルタ１０に比べ、約３．０ｄＢと増加した。これは主に誘電体損に起因するもので、ｔａｎδの小さい材質を選択すれば改善する見込みが高い。
　次に、本発明の第１の実施例の効果について説明する。
　第１の実施例の効果は、電気特性の劣化を防止できることである。その理由は、金属めっきスルーホール２４が、導波路管軸方向（ｚ方向）に平行にかつ導波管中心に配列されているからである。
　以上、実施例を参照して本発明を説明したが、本発明は上記実施例に限定されるものではない。本発明の構成や詳細には、本発明のスコープ内で当業者が理解し得る様々な変更をすることができる。

　本発明は、安価でフレキシブルな基幹ネットワークシステムの構築を目的とした簡易無線装置の入力部におけるＲＦ送受分離回路に利用され得る。

　２０　・・・　帯域通過フィルタ
　２１　・・・　誘電体基板
　２２　・・・　導体層
　２３　・・・　両側に配列された金属めっきスルーホール（側壁用スルーホール群）
　２４　・・・　中央に配列された金属めっきスルーホール
　この出願は、２０１２年６月４日に出願された日本出願特願第２０１２−１２７０６１号を基礎とする優先権を主張し、その開示のすべてをここに取り込む。

Claims (6)

1. 　互いに対向する上面および下面を持ち、導波路管軸方向に延在する誘電体基板と、
   　該誘電体基板の上面および下面に設けられた一対の導体層と、
   　前記導波路管軸方向に所定の間隔で、前記一対の導体層間を電気的に接続して形成された２列の側壁用スルーホール群と、
   　前記一対の導体層間を電気的に接続し、前記導波路管軸方向に平行にかつ、前記一対の導体層と前記２列の側壁用スルーホール群とによって囲まれた領域に形成された導波路の中心に配列された複数のスルーホールと、
   を有する帯域通過フィルタ。
2. 　前記所定の間隔が約０．３波長以下の間隔である、請求項１に記載の帯域通過フィルタ。
3. 　前記２列の側壁用スルーホール群の各々の直径は１．２ｍｍであり、前記所定の間隔が２．４ｍｍ間隔である、請求項２に記載の帯域通過フィルタ。
4. 　前記複数のスルーホールは、両端部にそれぞれ１本形成され、該両端部間に、複数本の集まりが間隔を空けて配列されている、請求項３に記載の帯域通過フィルタ。
5. 　前記複数本は４本である、請求項４に記載の帯域通過フィルタ。
6. 　前記複数のスルーホールの各々の直径は０．６ｍｍである、請求項３乃至５のいずれか１つに記載の帯域通過フィルタ。

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