JP2005117433A - フィルタ - Google Patents

Abstract

【課題】 簡単な構成で高い設計の自由度を持つフィルタを提供することを課題とする。
【解決手段】 全長が実質的に通過帯域周波数の１／２波長である第１及び第２線路パターン（１１、１２）と、前記第１及び第２線路パターンの間に介在し、当該第１及び第２線路パターンの両端（１４）からみて入出力端（１５、１６）と第１及び第２線路パターンとの接続点が短絡にみえるオープンスタブとして機能するように結合する共振器（１３）とを備える。
【選択図】 図２

Description

本発明はフィルタに関し、特に、マイクロ波、準ミリ波、ミリ波のような高周波帯域で用いられるフィルタに関する。

一般に、上記のような高周波帯域で用いられるフィルタは、分布定数型回路で作成される。分布定数型回路は例えば、マイクロストリップラインやコプレーナ線路である。例えば、マイクロストリップラインを用いたフィルタが特許文献１及び非特許文献１に記載されている。このフィルタは、２つのλ／２開放線路共振器（λは通過帯域の中心周波数付近において、線路を伝搬する電気信号の波長）を電磁界結合部によって容量結合させるとともに、入力端子と出力端子とを電磁界結合によって相互誘導結合させる構成である。この構成により、減衰極の周波数を中心周波数に近づけることができ、フィルタの急峻度を高めることができる。
特開２００３−２６６０５ Yoshihisa AMANO et al., "Low Cost Planar Filter for 60 GHz Applications", 30th European Microwave Conference-Paris 2000, pp. 340-343

しかしならが、上記特許文献１に記載の従来技術は、パターンが複雑でありフィルタを小型化できないとともに、設計の自由度が低いといういう問題点を有する。

従って、本発明は簡単な構成で高い設計の自由度を持つフィルタを提供することを目的とする。

本発明は、全長が実質的に通過帯域周波数の１／２波長である第１及び第２線路パターンと、前記第１及び第２線路パターンの間に介在し、当該第１及び第２線路パターンの両端からみて、入出力端と前記第１及び第２線路パターンとの接続点が短絡にみえるオープンスタブとして機能するように結合する共振器とを備えるフィルタである。この構成により、多くのオープンスタブを用いて効果的な減衰極又は減衰特性を実現することができる。

前記オープンスタブは、減衰特性又は減衰極を形成するものであることが好ましい。また、前記オープンスタブは、２以上の減衰極を形成することが好ましい。前記共振器は複数の共振器の結合による構成であってもよい。前記第１及び第２線路パターンは屈曲しているか、又はループ状の構成とすることができる。前記第１及び第２線路パターンは、マイクロストリップラインやコプレーナ線路など、任意の線路パターンでよい。前記入出力端は、前記第１及び第２線路パターンの中心からオフセットしている構成とすることができる。

以上のように、本発明によれば、簡単な構成で高い設計の自由度を持つフィルタを提供することができる。

本発明者は、上記課題を解決するために、スタブを用いることを考えた。図１は、スタブを用いたフィルタの構成を示す図である。図示するフィルタは、本発明が創作されるに至った過程において本発明者が検討したフィルタであって、バンドパスフィルタとして機能する。以下、図１に示すフィルタを比較例という。

図１において、フィルタはマイクロストリップライン１、２、共振器５、６及びフィルタの入出力端子７、８を有する。これらのパターンは、誘電体基板９上に形成されている。マイクロストリップライン１、２にはそれぞれスタブ部３、４が設けられている。マイクロストリップライン１、２はλ／２（λは通過帯域の中心周波数又はその付近において伝送路を伝搬する電気信号の波長：以下、この波長λを通過帯域周波数の１／２波長とも言う）の長さを持ち、電力を効率よく入出力できる構成となっている。入出力端７、８、マイクロストリップライン１、２及び共振器５、６が電磁界的に結合することで、共振周波数近傍おける通過帯域が決まる。

スタブ部分３、４はオープンスタブを構成しており、スタブ部分３、４の端部からみて入出力端７、８とスタブ部分３、４との接続点が短絡にみえるように設計してある。スタブ部分３、４の長さは、例えばλ／４である。スタブ部分３、４がオープンスタブとして機能することで、共振周波数の近傍に減衰極が形成される。この減衰極を通過特性の近傍に設定することが、良好な特性、特にフィルタ特性の急峻性を実現するうえで重要である。

ところが、図１に示す構成のフィルタで急峻な特性が得られるように設計することは非常に難しいことがわかった。上述したように、好ましいフィルタの特性を実現するためには、減衰極を通過帯域の近くに設定する必要がある。しかし、その他の諸条件を含めて設計した結果、減衰極が通過帯域に重なったり、逆に通過帯域から遠い部分に生じる場合があるほか、減衰極が明確に現れない場合もある。更に、フィルタを設計する時に用いられる電磁界シミュレータは、電磁界分布について近似的解を導き出すものであるから、設計では理想的な特性が得られても、実際にフィルタを製作すると、特性が設計どおりに表れないことがある。減衰極をつくる素子、つまりスタブの数を増加させるか、あるいは複数のスタブの特性により、所望の減衰極を得る可能性が増加するため、設計の自由度を向上する観点でいえば、好適であるといえる。しかしながら、単純にスタブを追加するだけでは、スタブを追加した分の面積が増加してしまい、寸法の大型化を招く。

本発明者は、上記検証に基づき、簡単な構成で高い設計の自由度を持つフィルタ構成を考えた。

図２は、線路パターンとしてマイクロストリップラインを用いた本発明のフィルタの一例を示す図である。図２に示すフィルタは、誘電体基板１７と、この上に形成された第１マイクロストリップライン１１、第２マイクロストリップライン１２、共振器１３及び入出力端１５、１６とを有する。第１マイクロストリップライン１１及び第２マイクロストリップライン１２の全長はそれぞれ、実質的に通過帯域の中心周波数又はその近傍の周波数に対応する波長λの１／２に等しい。共振器１３は、第１マイクロストリップライン１１と第２マイクロストリップライン１２との間に介在し、第１マイクロストリップライン１１の両端１４からみて入出力端１５と第１マイクロストリップライン１１との接続部が短絡にみえるオープンスタブとして機能するように結合し、更に第２マイクロストリップライン１２の両端１４からみて入出力端１６と第２マイクロストリップライン１２との接続部が短絡にみえるオープンスタブとして機能するように結合する。この結果、励振に寄与することが期待できる（つまり、減衰極の形成又は明確な減衰極はないものの減衰特性の形成に寄与することが期待できる）オープンスタブが４箇所得られることなる。すなわち、本発明によれば、入出力部におけるストリップライン１つにつき、２つのオープンスタブが形成されるので、小型でありながら多くのスタブ数を得ることができ、設計の自由度が向上する。

なお、本発明では４つのオープンスタブが得られるが、それぞれのオープンスタブの減衰極の周波数が近似あるいは重なる場合、又は減衰極が諸条件により発現しない場合があるため、本発明を採用した場合でも、減衰極が４箇所よりも少なくなる場合がある。しかし、その場合であっても操作できるオープンスタブが多いという利点が阻害されるものではない。

また、上記説明では線路パターンとしてマイクロストリップラインを採用した場合について説明したが、ほかにも、たとえばコプレーナ線路のような他の伝送線路を利用しても、本発明が実現できる。

以下、本発明の実施例を添付図面を参照して説明する。

図３は、本発明の第１実施例に係るフィルタを示す図である。図示するフィルタは、４つのマイクロストリップライン２１、２２、２３、２４と２つの入出力端２５、２６とを有する。これらのパターンは、図３の紙面に相当する誘電体基板（グランドパターンで裏打ちされている）上に形成されている。マイクロストリップライン２１〜２４はそれぞれ、実質的に通過帯域の中心周波数又はその近傍の周波数に対応する波長λの１／２に等しいループ状の伝送路である。ループを形成するために、マイクロストリップライン２１〜２４はそれぞれ、４つの屈曲部を有する。マイクロストリップライン２１〜２４をループ状に配置することで、伝送路をコンパクトに配置することができる。マイクロストリップライン２１と２２とは容量性結合と誘導性結合との混成結合をなし、マイクロストリップライン２２と２４は誘導性結合し、マイクロストリップライン２４と２３は容量性結合と誘導性結合との混成結合をなすように配置されている。マイクロストリップライン２２と２４はそれぞれ共振器を構成する。つまり、図３に示すフィルタは複数の共振器が結合した構成である。

入出力端２５はマイクロストリップライン２１に設けられ、入出力端２６はマイクロストリップライン２３に設けられている。マイクロストリップライン２２は、マイクロストリップライン２１の両端２７からみて、入出力端２５とマイクロストリップライン２１との接続点が短絡に見えるオープンスタブとして機能するように結合している。同様に、マイクロストリップライン２４は、マイクロストリップライン２３の両端２８からみて、入出力端２６とマイクロストリップライン２３との接続点が短絡にみえるオープンスタブとして機能するように結合している。入出力端２５は、マイクロストリップライン２１を二分割する位置よりも若干マイクロストリップライン２２から遠くなる側に位置している。同様に、入出力端２６は、マイクロストリップライン２３を二分割する位置よりも若干マイクロストリップライン２４から遠くなる側に位置している。つまり、入出力端２５、２６はそれぞれのマイクロストリップライン２２、２３を二分割する位置から同一方向（図の上方向）に若干オフセットしている。

図４に、図３に示すフィルタの周波数特性を示す。図４において、横軸は周波数（ＧＨｚ）、縦軸は減衰量（ｄＢ）である。実線で示す曲線は通過特性Ｓ２１を示し、破線で示す曲線は反射特性Ｓ１１を示す。減衰極Ｐ１が通過帯域の低周波数側近傍に形成されており、その減衰量は約−３７ｄＢである。一例として、この減衰極Ｐ１の位置は、通過帯域の中心周波数ｆを１とすると、０．８７ｆ程度である。これにより、通過帯域の立ち上がり側は極めて急峻となっている。また、通過帯域の立ち下り側には、減衰極Ｐ１よりは少ない減衰量の減衰極Ｐ２が形成されている。つまり、本実施例のフィルタは減衰特性が非対称なフィルタ特性を有するが、バンドパスフィルタとして機能するものである。

図５は、上記第１実施例の変形例である。図５に示すフィルタも、４つのマイクロストリップライン２１〜２４を具備するが、入出力端２５と２６の位置が図３に示すフィルタとは異なる。図５に示す入出力端２５は、マイクロストリップライン２１を二分割する位置よりも若干マイクロストリップライン２２に近い位置にある。同様に、入出力端２６は、マイクロストリップライン２３を二分割する位置よりも若干マイクロストリップライン２４に近い位置にある。勿論、図５の配置においても、マイクロストリップライン２２は、マイクロストリップライン２１の両端２７からみて入出力端２５とマイクロストリップライン２１との接続部が短絡にみえるオープンスタブとして機能するように結合し、同様に、マイクロストリップライン２４は共振器を構成し、マイクロストリップライン２３の両端２８からみて入出力端２６とマイクロストリップライン２３との接続点が短絡にみえるオープンスタブとして機能するように結合している。

図６に、図５に示すフィルタの周波数特性を示す。図６において、横軸は周波数（ＧＨｚ）、縦軸は減衰量（ｄＢ）である。実線で示す曲線は通過特性Ｓ２１を示し、破線で示す曲線は反射特性Ｓ１１を示す。減衰極Ｐ２が通過帯域の高周波側近傍形成されており、その減衰量は約−４４ｄＢである。一例として、この減衰極Ｐ２の位置は、通過帯域の中心周波数ｆを１とすると、１．１２ｆ程度である。これにより、通過帯域の立ち下がり側は極めて急峻となっている。また、通過帯域の立ち上がり側には、減衰極Ｐ２よりは少ない減衰量の減衰極Ｐ１が形成されている。つまり、本実施例のフィルタは減衰特性が非対称なフィルタ特性を有するが、バンドパスフィルタとして機能するものである。

図４と図６の特性の相違は、マイクロストリップライン２１、２３と共振器として機能するマイクロストリップライン２２、２４との結合のさせかたの相違に起因する。言い換えれば、入出力端２５、２６を設ける位置を調整することで減衰極を調整することができ、設計の自由度が向上する。

図７（ａ）〜図７（ｄ）はそれぞれ、本発明の第２実施例に係るフィルタを示す図である。図示するいずれのフィルタも伝送路としてマイクロストリップラインを用いた例であって、それぞれ異なる共振器形状を有している。いずれのフィルタも、誘電体基板（図の破線で示した部分に相当する）上に、λ／２の長さのマイクロストリップライン３１、３２と、これらにそれぞれ設けられた入出力端３４、３５を有する。これらのフィルタはいずれも、対向するマイクロストリップライン３１と３２との間に、以下に説明する共振器を備える。いずれのフィルタにおいても、共振器は、マイクロストリップライン３１の両端からみて入出力端３４とマイクロストリップライン３１との接続部が短絡にみえるオープンスタブとして機能するように結合し、マイクロストリップライン３２の両端からみて入出力端３５とマイクロストリップライン３２との接続部が短絡にみえるオープンスタブとして機能するように結合している。図７（ａ）〜図７（ｄ）の例では、入出力端３４はマイクロストリップライン３１を二分割する位置よりも若干上側に位置し、入出力端３５はマイクロストリップライン３２を二分割する位置よりも若干下側に位置している。つまり、入出力端３１、３２は、マイクロストリップライン３１と３２の中心位置から相互に反対方向に若干オフセットしている。

図７（ａ）に示すフィルタは、λ／２開放線路共振器３３Ａを有する。図７（ｂ）に示すフィルタは、λ／２容量装荷開放線路共振器３３Ｂを有する。この共振器３３Ｂの両端に形成された部分が容量として機能する。図７（ｃ）に示すフィルタは、折り曲げλ／２開放線路共振器３３Ｃを有する。図７（ｄ）に示すフィルタは、全長λのリング型共振器３３Ｄを有する。これらのフィルタはいずれも、図４又は図６に示す周波数特性と同様の周波数特性を示す。

図８（ａ）〜図８（ｃ）はそれぞれ、本発明の第３実施例に係るフィルタを示す図である。図示するいずれのフィルタも伝送路としてコプレーナ線路を用いた例であって、それぞれ異なる共振器形状を有している。いずれのフィルタも、誘電体基板（図の破線で示した部分に相当する）上に、λ／２の長さの線路パターン４１、４２と、これらにそれぞれ設けられた入出力端４４、４５を有する。また、線路パターン４１と４２の周囲には、それぞれこれらの両側を取り囲むように配置されたパターンを含むグランドパターン４６が設けられており、コプレーナ線路構成となっている。図示するフィルタはいずれも、線路パターン４１と４２との間に、以下に説明する共振器を備える。いずれのフィルタにおいても、共振器は、線路パターン４１の両端からみて入出力端４４と線路パターン４１との接続点が短絡にみえるオープンスタブとして機能するように結合し、線路パターン４２の両端からみて入出力端４５と線路パターン４２との接続点が短絡にみえるオープンスタブとして機能するように結合している。

図８（ａ）に示すフィルタは、λ／４開放線路共振器４３Ａを有する。図８（ｂ）に示すフィルタは、両端短絡λ／２線路共振器４３Ｂを有する。共振器４３Ｂの両端は、グランドパターン４６に接続されている。図８（ｃ）に示すフィルタは、両端開放λ／２線路共振器４３Ｃを有する。これらのフィルタはいずれも、図４又は図６に示す周波数特性と同様の周波数特性を示す。

図９は、本発明の第４実施例に係るフィルタを示す図である。図示するフィルタは、図７（ｄ）のリング型共振器３３Ｄに代えて、誘電体共振器５３を設けたものである。図９に示すフィルタの他の構成は、図７（ｄ）のフィルタの構成と同一である。誘電体共振器５３は、マイクロストリップライン３１の両端からみて入出力端３４とマイクロストリップライン３１との接続部が短絡にみえるオープンスタブとして機能するように結合し、マイクロストリップライン３２の両端からみて入出力端３５とマイクロストリップライン３２との接続部が短絡にみえるオープンスタブとして機能するように結合している。図９に示すフィルタは、図４又は図６に示す周波数特性と同様の周波数特性を示す。

以上、本発明の実施例を説明した。本発明は上記実施例に限定されるものではなく、他の実施例や各実施例を変形したフィルタを含むものである。例えば、本発明は、図示する共振器以外のパターンを持つ共振器や、図示するタイプ以外の線路パターン（例えば、サスペンデット線路やスロット線路など）を用いたフィルタを含む。

また、図３のフィルタと図５のフィルタとを直列に接続することにより、図４と図６に示す周波数特性を合成した周波数特性を持つフィルタを構成することができる。この場合の特性は、通過帯域の立ち上がり及び立ち下がり特性のいずれもが、オープンスタブとして機能する線路パターンの両端で作られる減衰極の作用により急峻なものとなる。

本発明の比較例として位置付けられたフィルタを示す図である。 本発明の原理を説明するための図である。 本発明の第１実施例に係るフィルタを示す図である。 図３に示す第１実施例の周波数特性を示すグラフである。 図３に示す第１実施例の変形例を示す図である。 図５に示す変形例の周波数特性を示すグラフである。 本発明の第２実施例に係る４つのフィルタを示す図である。 本発明の第３実施例に係る３つのフィルタを示す図である。 本発明の第４実施例に係るフィルタを示す図である。

符号の説明

１１ 第１マイクロストリップライン
１２ 第２マイクロストリップライン
１３ 共振器
１４ 端部
１５、１６ 入出力端
１７ 誘電体基板
２１、２２、２３、２４ マイクロストリップライン
２５、２６ 入出力端
２７、２８ 端部
３１、３２ マイクロストリップライン
３３Ａ、３３Ｂ、３３Ｃ、３３Ｄ 共振器
３４、３５ 入出力端
４１、４２ 線路パターン
４３Ａ、４３Ｂ、４３Ｃ 共振器
４４、４５ 入出力端
４６ グランドパターン

Claims (8)

1. 全長が実質的に通過帯域周波数の１／２波長である第１及び第２線路パターンと、前記第１及び第２線路パターンの間に介在し、当該第１及び第２線路パターンの両端からみて、入出力端と前記第１及び第２線路パターンとの接続点が短絡にみえるオープンスタブとして機能するように結合する共振器とを備えることを特徴とするフィルタ。
2. 前記オープンスタブは、減衰特性又は減衰極を形成することを特徴とする請求項１記載のフィルタ。
3. 前記オープンスタブは、２以上の減衰極を形成することを特徴とする請求項１記載のフィルタ。
4. 前記共振器は複数の共振器の結合によって構成されていることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項記載のフィルタ。
5. 前記第１及び第２線路パターンは屈曲しているか、又はループ状であることを特徴とする請求項１から４のいずれか一項記載のフィルタ。
6. 前記第１及び第２線路パターンは、マイクロストリップラインであることを特徴とする請求項１から５のいずれか一項記載のフィルタ。
7. 前記第１及び第２線路パターンは、コプレーナ線路であることを特徴とする請求項１から５のいずれか一項記載のフィルタ。
8. 前記入出力端は、前記第１及び第２線路パターンの中心からオフセットしていることを特徴とする請求項１から７のいずれか一項記載のフィルタ。

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