JP2004023334A

JP2004023334A - バンドパスフィルタ

Info

Publication number: JP2004023334A
Application number: JP2002173813A
Authority: JP
Inventors: Yasushi Kishimoto; 岸本　靖
Original assignee: Hitachi Metals Ltd
Current assignee: Proterial Ltd
Priority date: 2002-06-14
Filing date: 2002-06-14
Publication date: 2004-01-22

Abstract

【課題】挿入損失と減衰量の両特性を充足できるバンドパスフィルタを提供する。
【解決手段】信号入力端子に接続する入力結合コンデンサと、信号出力端子に接続する出力結合コンデンサと、入力結合コンデンサと出力結合コンデンサとの間に接続した複数のストリップライン共振器と、ストリップライン共振器を結合する段間結合コンデンサと、信号入力端子とグランドとの間に配置したインダクタとコンデンサとの直列回路から成る第１のノッチ回路と、信号出力端子とグランドとの間に配置したインダクタとコンデンサとの直列回路から成る第２のノッチ回路を具備した。
【選択図】　　　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、通過帯域と減衰（阻止）帯域が近接しても挿入損失と減衰量が共に良好な特性を有するバンドパスフィルタに関する。
【０００２】
【従来の技術】
バンドパスフィルタは携帯電話などの移動体通信の進展に伴い、多数使用され小型化、高性能化が要望されている。このようなバンドパスフィルタは、アンテナを共通として送信信号を通過させ受信信号を減衰させるバンドパスフィルタと、受信信号を通過させ送信信号を減衰させるバンドパスフィルタを組み合わせて、送信信号と受信信号を分波するデュプレクサにも用いられる。
【０００３】
バンドパスフィルタ、デュプレクサが用いられる移動体通信において、限りある周波数資源の制約から、送信と受信の周波数が狭い間隔で割り振られることが多い。例えばＷ−ＣＤＭＡにおいては、送信側１．９２〜１．９８ＧＨｚ、受信側２．１１〜２．１７ＧＨｚと、送信と受信の周波数間隔が１３０ＭＨｚ（１．９８〜２．１１ＧＨｚ）と近接している。
この場合、受信フィルタでは、送信帯域で高減衰量が必要とされる。同様に、送信フィルタには受信帯域で高い減衰量が必要とされる。そのため、送信と受信の周波数間が近接するほどフィルタとして急峻な減衰特性が必要である。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、従来のバンドパスフィルタにおいては、挿入損失と減衰量はトレードオフの関係にあり、いずれか一方を改善すればもう一方が劣化する性質がある。また、両者を満足するフィルタを得るためには形状を大きくし、共振のＱを上げることも１手段ではあるが、小型・高性能化の流れと逆行している。
なお、挿入損失とはフィルタを回路に挿入することによって回路の電力消費量が増加する損失を、減衰量とは不要な周波数帯域信号の通過を阻止するフィルタの信号減衰量をいう。そこで本発明は、挿入損失と減衰量の両特性を充足できるバンドパスフィルタの提供を目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明は、信号入力端子に接続する入力結合コンデンサと、信号出力端子に接続する出力結合コンデンサと、前記入力結合コンデンサと出力結合コンデンサとの間に接続された複数のストリップライン共振器と、前記ストリップライン共振器を結合する段間結合コンデンサと、前記信号入力端子とグランドとの間に配置されインダクタとコンデンサとの直列回路から成る第１のノッチ回路と、前記信号出力端子とグランドとの間に配置されインダクタとコンデンサとの直列回路から成る第２のノッチ回路を具備するバンドパスフィルタである。
本発明においては、前記入力結合コンデンサと前記出力結合コンデンサと前記段間結合コンデンサと前記第１のノッチ回路及び前記第２のノッチ回路を構成するインダクタとコンデンサと前記ストリップライン共振器を複数の誘電体層を積層してなる積層体に一体化するのが好ましく、前記ストリップライン共振器電極を前記積層体の内部に設けるとともに、前記第１のノッチ回路及び前記第２のノッチ回路のそれぞれのインダクタを前記積層体の内部に設けたストリップライン電極で構成し、前記段間結合コンデンサ、入力結合コンデンサ、出力結合コンデンサ及び前記第１のノッチ回路及び前記第２のノッチ回路を構成するそれぞれのコンデンサを前記積層体の内部に前記誘電体層を挟んで互いに対向して設けた複数のコンデンサ電極で構成するのが好ましい。
【０００６】
前記積層体において、第１のノッチ回路及び第２のノッチ回路のそれぞれのインダクタをスパイラル形状、メアンダ形状、コイル形状のストリップライン電極で構成する。
【０００７】
さらに、前記ストリップライン共振器と接続する共振コンデンサを加え、前記ストリップライン共振器電極と、共振コンデンサ電極を積層体の異なる誘電体層に形成し、前記段間結合コンデンサ、入力結合コンデンサ、出力結合コンデンサ及び前記第１のノッチ回路及び前記第２のノッチ回路を構成するそれぞれのコンデンサ電極とストリップライン電極が形成された誘電体層を介してスルーホールで接続してもよい。
前記ストリップライン共振器電極と前記第１のノッチ回路及び前記第２のノッチ回路を構成するストリップライン電極は前記積層体内において異なる誘電体層に形成され、前記ストリップライン共振器電極とストリップライン電極とが積層方向に実質的に重ならないように構成するのがより好ましい。
【０００８】
【発明の実施の形態】
図１に本発明の一実施例に係るバンドパスフィルタの等価回路を示す。
本発明のバンドパスフィルタは、信号入力端子ＩＮに接続する入力結合コンデンサＣｉｎと、信号出力端子ＯＵＴに接続する出力結合コンデンサＣｏｕｔと、前記入力結合コンデンサと出力結合コンデンサとの間に接続された複数のストリップライン共振器Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３と、前記ストリップライン共振器を結合する段間結合コンデンサＣ４、Ｃ５と、前記信号入力端子ＩＮとグランドとの間に配置されるインダクタＮＬ１とコンデンサＮＣ１との直列回路から成る第１のノッチ回路Ｎ１と、前記信号出力端子ＯＵＴとグランドとの間に配置されるインダクタＮＬ２とコンデンサＮＣ２との直列回路から成る第２のノッチ回路Ｎ２を複数の誘電体層を積層してなる積層体に一体化したバンドパスフィルタである。
本発明者は、従来のバンドパスフィルタにおいて不可避だった挿入損失と減衰量のトレードオフの技術的課題に取り組んだ結果、入力側と出力側に実質的に対称にＬＣ直列回路でなるノッチ回路を設け、ストリップライン共振器の減衰極とノッチ回路で形成した減衰極とで減衰量を制御すれば、この課題を解決できることを想到した。すなわち、本発明では第１及び第２のノッチ回路（Ｎ１、Ｎ２）の減衰極とストリップライン共振器（Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３）の減衰極とで帯域外の減衰特性を付与するものであり、前記第１及び第２のノッチ回路のインダクタ、コンデンサの選択により、前記ノッチ回路の共振周波数をバンドパスフィルタの通過帯域から低い周波数や高い周波数に設定し、これによりバンドパスフィルタの帯域外減衰量を大きくし、かつ急峻な減衰特性を付与することができる。
そしてノッチ回路のインダクタ、コンデンサの選定において、インダクタンスを大きく、キャパシタンスを小さく形成するのが好ましいことを見出した。ノッチ回路のキャパシタンスを大きく、インダクタンスを小さくしていくと、徐々にバンドパスフィルタの通過帯域特性に悪影響を及ぼし、挿入損失劣化が起こる。
【０００９】
前記第１及び第２のノッチ回路のインダクタを、前記積層体の内部に設けたストリップライン電極で構成している。前記ストリップライン電極は、ストリップライン共振器電極と積層体内で積層方向に重ならないようにして、互いが干渉しないように構成されている。前記ストリップライン電極はメアンダ形状、スパイラル形状やコイル形状に形成されるが、特にコイル形状で形成するとインダクタを小型に形成できるので好ましい。
また、ノッチ回路を入力側だけでなく出力側にも対称的に設けたのは、非対称では入力側と出力側から見た反射特性が異なり、挿入損失の劣化が起こるからである。
より好ましくは、前記ノッチ回路のインダクタを構成するストリップライン電極、ストリップライン共振器電極の電極厚みを他のパターンよりも厚くし、具体的には１５μｍ〜３０μｍ程度にすることでインダクタのＱ値が向上し、結果としてバンドパスフィルタの挿入損失を低減できることも分かった。
【００１０】
【実施例】
図２は本発明の他の実施例に係るバンドパスフィルタの等価回路である。
このバンドパスフィルタは、フィルタの基本特性を決定するストリップライン共振器電極Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３、共振周波数調整用の共振コンデンサＣ１，Ｃ２，Ｃ３でなる複数の共振回路を有する。ストリップライン共振器電極Ｔ１と共振コンデンサＣ１、ストリップライン共振器電極Ｔ２と共振コンデンサＣ２、ストリップライン共振器電極Ｔ３と共振コンデンサＣ３は各々、共振回路を形成し、これら複数のストリップライン共振器電極Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３を、各々が電磁的にＭ結合するように構成し、複数の共振回路を結合する段間コンデンサＣ４、Ｃ５とでバンドパスフィルタとしている。
前記共振コンデンサによりストリップライン共振器電極の長さを短縮できるので、バンドパスフィルタを積層体とするときに小型化が容易となる。ここで開示した回路では、バンドパスフィルタの通過帯域より高周波側にストリップライン共振器による減衰極を有する特性が得られる。また、複数の共振回路を結合する段間コンデンサＣ４，Ｃ５で減衰極の周波数の微調整が可能である。
【００１１】
第１及び第２のノッチ回路は、信号入力端子ＩＮに接続されたコンデンサＮＣ１とインダクタＮＬ１とのＬＣ直列回路、信号出力端子側ＯＵＴに接続されたコンデンサＮＣ２とインダクタＮＬ２とのＬＣ直列回路で構成され、両者のコンデンサＮＣ１、ＮＣ２、インダクタＮＬ１、ＮＬ２は実質的に同じ値として対称性を確保する。ここで、コンデンサＮＣ１、ＮＣ２、インダクタＮＬ１、ＮＬ２の回路対称性を崩せば、異なる周波数に２つの減衰極を有するフィルタ特性が得られる。しかし、その場合、入力側ＩＮからみた特性と、出力側ＯＵＴから見た特性が異なるため、フィルタの基本特性を決定するストリップライン共振器電極Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３、共振コンデンサＣ１，Ｃ２，Ｃ３をそれぞれ独立して調整する必要があり、設計が困難となる。図１においてノッチ回路は、入力端子ＩＮにコンデンサＮＣ１とインダクタＮＬ１の順に、出力端子ＯＵＴにコンデンサＮＣ２とインダクタＮＬ２の順に接続しているが、ノッチ回路の電気的特性は、コンデンサとインダクタの配置が逆の場合でも同様な効果が得られる。
【００１２】
図３は積層体として構成したバンドパスフィルタの斜視図であり、図４は各層毎に構造を示したものである。このバンドパスフィルタは、コンデンサ電極、ストリップライン電極等をＡｇやＣｕなどの導体ペーストで印刷形成したセラミックグリーンシート（以下シート）１〜１３を、シート１を最上層として図の順に重ねて全体を積層化して一体焼成して構成される。シートは誘電体材料として、たとえばＡｌ_２Ｏ_３，ＴｉＯ_２−ＺｒＯ_２−ＳｉＯ_２，ＢａＯ−ＴｉＯ_２，Ｂｉ−Ｃａ−Ｎｂ−Ｏ系などのセラミック材料を用い、ドクターブレード法などの公知の成型技術で厚さ数十μｍ〜２００μｍのグリーンシートとしている。本実施例において誘電率εは８の誘電体材料を用いた。
本実施例においては、積層体の各層間の電気的接続をスルーホール（図中において小さな黒丸）で行っているが、それに限定されない。積層体の外部側面で電気的接続を行う外部電極を用いることもできる。
【００１３】
以下、積層構造について説明する。シート１３には一面にグランドパターン５０ａが形成され、その上層には一端が外周縁まで延出し、前記グランドパターン５０ａと外部電極により接続される３本のストリップライン共振器電極１０ａ、１０ｂ、１０ｃが形成されたシート１２が積層される。前記電極はそれぞれ等価回路のストリップライン共振器Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３に対応する。
その上層に積層されるシート９〜１１には、第１のノッチ回路のインダクタＮＬ１を構成するストリップライン電極２０ａ、２１ａ、２２ａと、ストリップライン電極２２ｃの一端側に接続するコンデンサＮＣ１の一方のコンデンサ電極２５ａと、第２のノッチ回路のインダクタＮＬ２を構成するストリップライン電極２０ｂ、２１ｂ、２２ｂと、ストリップライン電極２２ｂの一端側に接続するコンデンサＮＣ２の一方のコンデンサ電極２５ｂが形成されている。前記ストリップライン電極はスルーホールを介して接続されコイル状に巻き回されたインダクタを構成する。シート８には、第１のノッチ回路のコンデンサＮＣ１の他方のコンデンサ電極２６ａと、第２のノッチ回路のコンデンサＮＣ２の他方のコンデンサ電極２６ｂが形成されている。前記コンデンサ電極２６ａ、２６ｂはそれぞれ外周縁まで延出して外部電極ＩＮ、ＯＵＴとそれぞれ接続する。
ここで、第１及び第２のノッチ回路で２．１１ＧＨｚ〜２．１７ＧＨｚの間に減衰極を形成するようにインダクタＮＬ１、ＮＬ２及びコンデンサＮＣ１、ＮＣ２を適宜設定している。
【００１４】
その上層に積層されるシート７には、入力結合コンデンサＣｉｎ、出力結合コンデンサＣｏｕｔを構成する一方のコンデンサ電極３０ａ、３０ｂが、それぞれスルーホールを介してシート８のコンデンサ電極２６ａ、２６ｂと接続されるとともに、前記コンデンサ電極２６ａ、２６ｂと積層方向に重ならない様に形成される。このように構成することでノッチ回路のコンデンサ電極との干渉を防いでいる。
そしてシート６には、入力結合コンデンサＣｉｎ、出力結合コンデンサＣｏｕｔを構成する他方のコンデンサ電極３１ａ、３１ｂが形成され、コンデンサ電極３１ａ、３１ｂに挟まれる領域にコンデンサ電極３１ｃが形成される。これらのコンデンサ電極の周縁部で段間結合コンデンサＣ４、Ｃ５が構成される。また前記コンデンサ電極３１ａ、３１ｂ、３１ｃは、スルーホールを介して、シート１２に形成されたストリップライン共振器電極１０ａ、１０ｂ、１０ｃとそれぞれ接続される。
シート５には、入力結合コンデンサＣｉｎ、出力結合コンデンサＣｏｕｔを構成するコンデンサ電極３２ａ、３２ｂが形成され、スルーホールを介してシート７に形成されたコンデンサ電極３０ａ、３０ｂと接続する。
【００１５】
シート４には、スルーホール部の一部のパターンが切抜かれたグランドパターン５０ｂが形成され、シート３には共振コンデンサＣ１、Ｃ２、Ｃ３を構成するコンデンサ電極１１ａ、１１ｂ、１１ｃが形成され、それぞれがスルーホールを介して、前記コンデンサ電極３１ａ、３１ｂ、３１ｃ、ストリップライン共振器電極１０ａ、１０ｂ、１０ｃと接続する。シート２にはグランドパターン５０ｃが形成され、その上層にはシート１が積層される。
【００１６】
本実施例においては、積層体四辺の短辺に信号入力端子ＩＮ、対向辺に信号出力端子ＯＵＴを、残りの二辺にグランド電極ＧＮＤを配置しているが、長辺に信号入力端子ＩＮ、その対向辺に信号出力端子ＯＵＴを設けて構成しても良い。
【００１７】
本実施例においては、ノッチ回路のインダクタＮＬ１，ＮＬ２を構成するストリップライン電極およびストリップライン共振器電極Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３の電極厚みを他の電極よりも厚く（１５μｍ〜３０μｍ）することにより、導体損失が低減され、結果として挿入損失を低減できる。積層体の電極厚みは一般に、５μｍ〜１０μｍと薄く、挿入損失劣化の要因の一つであった。電極厚みを他のパターンよりも厚くするには、印刷工程を数回繰り返す、すなわち、印刷した後、Ａｇペースト中の溶剤を乾燥させてから同じ導体パターンをその導体パターン上に多数回重ね印刷することによって厚く形成できるが、この方法では、重ね印刷ごとに印刷精度が悪くなる、薄いシートではシートの破れが発生し、電極形成が困難であるといった問題がある。そのため、メッシュスクリーンの開口径を大きくし、電極厚みを厚く形成できるペーストを使用して、１回の印刷で形成するのが好ましい。また、メタルマスクを用いることによってパターンを厚く形成することもできる。このように構成することで、Ｑ値を向上させ、単に損失の低減のみならず、ノッチ回路の共振を尖鋭にして減衰レベルが改善することが出来る。
【００１８】
このようにして外形寸法が４．５ｍｍ×３．２ｍｍ×１．７ｍｍのＷ−ＣＤＭＡ用バンドパスフィルタを得て、その減衰量特性を評価した。比較例として、第１及び第２のノッチ回路を設けない以外は、本実施例と同様に構成したバンドパスフィルタもあわせて評価した。その結果を図５の減衰量の周波数特性図に示す。
図５においてＦｔとは送信周波数１．９２〜１．９８ＧＨｚ、Ｆｒとは受信周波数２．１１〜２．１７ＧＨｚを意味する。本発明のバンドパスフィルタの特性曲線は実線で示し、ノッチ回路を備えない従来例のバンドパスフィルタの特性曲線は点線で示す。図５から、ノッチ回路の無い場合に比べて本発明のバンドパスフィルタにおいては受信周波数で５０ｄＢ以上の急峻な減衰ピークが得られ、ノッチ回路の効果が生じているのが分かる。また、高減衰量にもかかわらず、挿入損失はほぼ同等であることが分かる。
【００１９】
図６に本発明の他の実施例に係るバンドパスフィルタの等価回路を示す。
このバンドパスフィルタは、通過帯域を受信周波数とするもので、入力側ＩＮと出力側ＯＵＴとの間にＬＣ直列共振回路（コンデンサＣ６，Ｃ７，Ｃ８及びインダクタＬ１、Ｌ２）を付加することにより、バンドパスフィルタの通過帯域よりも低周波側に、ストリップライン共振器による減衰極を有する特性を得るようにしたものである。この実施例においては、第１及び第２のノッチ回路で１．９２ＧＨｚ〜１．９８ＧＨｚの間に減衰極を形成するようにインダクタＮＬ１、ＮＬ２及びコンデンサＮＣ１、ＮＣ２を適宜設定すれば、送信周波数で急峻な減衰ピークと高減衰量が得られ、挿入損失はほぼ同等のバンドパスフィルタを得ることが出来る。さらに他の実施例として、前述した受信周波数に通過帯域を有するバンドパスフィルタと送信周波数に通過帯域を有するバンドパスフィルタの信号入力端子ＩＮを共通とし構成すれば、優れた分波特性を備えたデュプレクサを得ることが出来る。
【００２０】
【発明の効果】
本発明によれば、急峻な減衰特性を備え、かつ挿入損失と減衰量の両特性を充足できるパスフィルタの提供することが出来る。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例に係るバンドパスフィルタの等価回路図である。
【図２】本発明の他の実施例に係るバンドパスフィルタの等価回路図である。
【図３】本発明の一実施例に係るバンドパスフィルタの斜視図である。
【図４】本発明の一実施例に係るバンドパスフィルタの積層構造を示す展開図である。
【図５】本発明の一実施例に係るバンドパスフィルタの減衰量の周波数特性図である。
【図６】本発明の他の実施例に係るバンドパスフィルタの等価回路図である。
【図７】従来のバンドパスフィルタの等価回路図である。
【符号の説明】
Ｃｉｎ　入力結合コンデンサ
Ｃｏｕｔ　出力結合コンデンサ
Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３　ストリップライン共振器
Ｎ１，Ｎ２　ノッチ回路
ＮＣ１，ＮＣ２　ノッチ回路のインダクタ
ＮＬ１，ＮＬ２　ノッチ回路のコンデンサ

Claims

信号入力端子に接続する入力結合コンデンサと、信号出力端子に接続する出力結合コンデンサと、前記入力結合コンデンサと出力結合コンデンサとの間に接続された複数のストリップライン共振器と、前記ストリップライン共振器を結合する段間結合コンデンサと、前記信号入力端子とグランドとの間に配置されインダクタとコンデンサとの直列回路から成る第１のノッチ回路と、前記信号出力端子とグランドとの間に配置されインダクタとコンデンサとの直列回路から成る第２のノッチ回路を具備することを特徴とするバンドパスフィルタ。
前記入力結合コンデンサと前記出力結合コンデンサと前記段間結合コンデンサと前記第１のノッチ回路及び前記第２のノッチ回路を構成するインダクタとコンデンサと前記ストリップライン共振器を複数の誘電体層を積層してなる積層体に一体化することを特徴とする請求項１に記載のバンドパスフィルタ。
前記ストリップライン共振器電極を前記積層体の内部に設けるとともに、前記第１のノッチ回路及び前記第２のノッチ回路のそれぞれのインダクタを前記積層体の内部に設けたストリップライン電極で構成し、前記段間結合コンデンサ、入力結合コンデンサ、出力結合コンデンサ及び前記第１のノッチ回路及び前記第２のノッチ回路を構成するそれぞれのコンデンサを前記積層体の内部に前記誘電体層を挟んで互いに対向して設けた複数のコンデンサ電極で構成することを特徴とする請求項２に記載のバンドパスフィルタ。
前記第１のノッチ回路及び前記第２のノッチ回路のそれぞれのインダクタをスパイラル形状、メアンダ形状、コイル形状のストリップライン電極で構成したことを特徴とする請求項３に記載のバンドパスフィルタ。
前記ストリップライン共振器と接続する共振コンデンサを有し、前記ストリップライン共振器電極と、共振コンデンサ電極を積層体の異なる誘電体層に形成し、前記段間結合コンデンサ、入力結合コンデンサ、出力結合コンデンサ及び前記第１のノッチ回路及び前記第２のノッチ回路を構成するそれぞれのコンデンサ電極とストリップライン電極が形成された誘電体層を介してスルーホールで接続することを特徴とする請求項３又は４に記載のバンドパスフィルタ。
前記ストリップライン共振器電極と前記第１のノッチ回路及び前記第２のノッチ回路を構成するストリップライン電極は前記積層体内において異なる誘電体層に形成され、前記ストリップライン共振器電極とストリップライン電極とが積層方向に実質的に重ならないことを特徴とする請求項３乃至５のいずれかに記載のバンドパスフィルタ。