JP2009239559A - 高周波フィルタ - Google Patents

Abstract

【課題】超小型で帯域内における挿入損失が少なく、減衰特性が急峻でかつ減衰量を大きく確保でき、通過帯域や遮断領域の広帯域化が容易な低コストの高周波フィルタを実現すること。
【解決手段】高周波信号の伝送線路に対して交差する方向に設けられ、互いに電磁的に結合する結合部を有する複数の分岐線路を備え、前記高周波信号から特定の周波数成分をフィルタリングする高周波フィルタであって、前記複数の分岐線路は非対称に形成されていることを特徴とするもの。
【選択図】 図１

Description

本発明は、高周波フィルタに関し、詳しくは、バンドエリミネーションフィルタ（以下ＢＥＦという）に関するものである。

図７は従来の代表的な分布定数型ＢＥＦの一例を示す構成説明図であり、（Ａ）はマイクロストリップラインで構成されたパターン例図、（Ｂ）は等価回路図である。

（Ａ）において、伝送路パターン１は所定幅の矩形に形成されている。この伝送路パターン１には、入力端２から出力端３に向かう信号の伝送方向に沿って、所定の間隔を保つようにして、所定幅で所定長さの矩形よりなる第１のオープンスタブ４と第２のオープンスタブ５が垂直方向に形成されている。

ここで、これら第１のオープンスタブ４と第２のオープンスタブ５は、高周波信号に対して容量成分（キャパシタ）として作用する。したがって、等価回路は、（Ｂ）に示すように、伝送路１にキャパシタ４、５の一端が接続されて他端は開放されたものになる。

再び（Ａ）において、伝送路パターン１の入力端２から入力された信号は、第１のオープンスタブ４を通り、入力される信号周波数によっては第１のオープンスタブ４の容量成分の影響を受ける。第１のオープンスタブ４の容量成分の影響を受けない信号成分はさらに伝送路パターン１を経て第２のオープンスタブ５を通り、入力される信号周波数によっては第２のオープンスタブ５の容量成分の影響を受ける。第２のオープンスタブ５の容量成分の影響を受けない信号成分はさらに伝送路パターン１を経て、出力端３から出力される。

これにより、出力端３から出力される出力信号は、第１のオープンスタブ４および第２のオープンスタブ５の容量成分により所定の周波数帯域の信号成分が減衰された図８に示すようなバンドエリミネーションの周波数特性を示すことになる。

ところで、ＢＥＦを用いるのにあたっては、あるときは狭帯域で減衰量の大きいものを必要とし、またあるときは広帯域で減衰量が大きいものを必要とすることがある。基本的には、減衰量は当然大きい方が望ましいが、減衰量を大きくするためにフィルタ自体が巨大になることは現実的でなく、実装面積によっては使用できないものになる。

また、減衰量を大きく取るように設計するということは、フィルタの段数（次数）を増やすということであり、インサーションロス（挿入損失）も当然増加する。フィルタを通信系の回路で使用する場合、この挿入損失が全体のノイズフロアに与える影響はかなり大きく、無視できない場合が殆どである。

図８の特性例図において、Ａは遮断帯域内減衰量最小値(任意)、Ｂは遮断帯域内減衰量最大値(任意)である。Fc_centは中心周波数、Fc_low1は信号通過帯域低域側カットオフ周波数、Fc_low2は遮断帯域低域側カットオフ周波数、Fc_high1は信号通過帯域高域側カットオフ周波数、Fc_high2は遮断帯域高域側カットオフ周波数、BWは遮断帯域である。フィルタの段数（次数）が少ないとFc_low1からFc_low2までの帯域が広くなる。

また、遮断帯域内減衰量最大値Ｂを大きくするためには、（Ａ）に示すオープンスタブを増やす必要がある。さらに、遮断帯域低域側カットオフ周波数Fc_low2の周波数を低くしようとすればするほどこれらオープンスタブ間の間隔は広くなり、オープンスタブの長さそのものも長くしなければならない。

特許文献１には、マイクロストリップラインで構成されたＢＥＦの構成例が記載されている。
特開２０００−９１８０６号公報

すなわち、図７に示す従来構成のフィルタは、減衰特性を急峻にすればするほど、また減衰量を大きくすればするほどフィルタ段数が増加してフィルタ自体が大きくなり、挿入損失も増加することになる。

本発明は、このような課題を解決するものであり、その目的は、超小型で帯域内における挿入損失が少なく、減衰特性が急峻でかつ減衰量を大きく確保でき、通過帯域や遮断領域の広帯域化が容易な低コストの高周波フィルタを実現することにある。

このような課題を達成するために、本発明のうち請求項１記載の発明は、高周波信号の伝送線路に対して交差する方向に設けられ、互いに電磁的に結合する結合部を有する複数の分岐線路を備え、前記高周波信号から特定の周波数成分をフィルタリングする高周波フィルタであって、前記複数の分岐線路は非対称に形成されていることを特徴とする。

請求項２記載の発明は、請求項１記載の高周波フィルタにおいて、前記分岐線路は、隣接する一対の分岐線路を単位として電磁的に結合することを特徴とする。

請求項３記載の発明は、請求項１または請求項２記載の高周波フィルタにおいて、前記結合部は、前記分岐線路の一部に設けられることを特徴とする。

請求項４記載の発明は、請求項１から請求項３のいずれかに記載の高周波フィルタにおいて、前記分岐線路部は、前記高周波信号の伝送線路よりも幅が狭く、前記高周波信号に対して誘導成分として作用する第１パターンと、前記第１パターンよりも幅が広く、前記結合部をなす第２パターンとからなることを特徴とする。

請求項５記載の発明は、請求項４記載の高周波フィルタにおいて、前記第１パターンおよび前記第２パターンは、共に前記高周波信号の伝送線路に対して交差する方向に形成されていることを特徴とする。

請求項６記載の発明は、請求項１から請求項５のいずれかに記載の高周波フィルタにおいて、前記分岐線路に対応して前記伝送線路の途中に設けられ、前記伝送線路よりも幅が狭く前記高周波信号に対して誘導成分として作用する第２分岐線路を備えることを特徴とする。

請求項７記載の発明は、請求項６記載の高周波フィルタにおいて、前記第２分岐線路はコ字形状であることを特徴とする。

請求項８記載の発明は、請求項１から請求項７のいずれかに記載の高周波フィルタにおいて、前記伝送線路及び前記分岐線路は誘電体基板上に形成されており、隣接する分岐線路の前記結合部は、その間隔が前記誘電体基板の厚みの３倍以下となるよう配置されることを特徴とする。

本発明によれば、超小型で帯域内における挿入損失が少なく、減衰特性が急峻でかつ減衰量を大きく確保でき、通過帯域や遮断領域の広帯域化が容易に実現できる低コストの高周波フィルタが得られる。

以下、本発明について、図面を用いて詳細に説明する。図１は本発明の一実施例を示す構成説明図であり、マイクロストリップラインを用いて形成された例であって、（Ａ）は平面図、（Ｂ）は（Ａ）のＡ−Ａ線に沿った断面拡大図である。

図１において、高周波フィルタ１０は、高周波信号の伝送線路としての入力線路１１および出力線路１２の間に、分岐線路１３、１４と分岐線路１５（第２分岐線路）とを形成したものである。なお、図１に示す高周波フィルタ１０は、入力線路１１側から見た場合と出力線路１２側から見た場合とでは非対称である。

入力線路１１は高周波信号が入力される線路であり、出力線路１２は入力線路１１から入力された高周波信号から特定の周波数成分をフィルタリングした信号が出力される線路である。なお、入力線路１１および出力線路１５は、たとえば特性インピーダンスが５０Ωになるように、その幅ｗ１，ｗ２などが設計されている。ここで、図１に示す高周波フィルタ１０は非対称な構成であるため、入力線路１１の幅ｗ１と出力線路１２の幅ｗ２は１ｍｍ程度ではあるものの異なる。また、入力線路１１および出力線路１２は、直接接続されておらず、分岐線路１３〜１５を介して互いに電気的に接続されている。

分岐線路１３は、入力線路１１に接続されており、入力線路１１から出力線路１２に至る高周波信号の伝送線路に対して直交する方向に設けられている。なお、以下の説明では、入力線路１１から出力線路１２に至る方向を「伝送方向」といい、この伝送方向に直交する方向を「交差方向」という。分岐線路１３は、交差方向に延びる第１パターン１３ａと第２パターン１３ｂとで構成されている。第１パターン１３ａは、その幅ｗ３１が入力線路１１の幅ｗ１および出力線路１２の幅ｗ２よりも狭く、高周波信号に対して誘導成分（インダクタンス）として作用する。第２パターン１３ｂは、その幅ｗ３２が第１パターン１３ａの幅ｗ３１よりも広く、高周波信号に対して誘導成分として作用するとともに、オープンスタブとして機能する。なお、第２パターン１３ｂが有する誘導成分は、第１パターン１３ａが有する誘導成分とは異なる。

分岐線路１４は、出力線路１２に接続されており、交差方向に設けられている。この分岐線路１４は、分岐線路１３と同様に、交差方向に延びる第１パターン１４ａと第２パターン１４ｂとで構成されている。第１パターン１４ａは、その幅ｗ４１が入力線路１１の幅ｗ１および出力線路１２の幅ｗ２よりも狭く、高周波信号に対して誘導成分（インダクタンス）として作用する。第２パターン１４ｂは、その幅ｗ４２が第１パターン１４ａの幅ｗ４１よりも広く、高周波信号に対して誘導成分として作用するとともに、オープンスタブとして機能する。なお、図１に示す高周波フィルタ１０は非対称な構成であるため、第１パターン１４ａが有する誘導成分は分岐線路１３の第１パターン１３ａが有する誘導成分と異なる。また、第２パターン１４ｂの長さは第２パターン１３ｂよりも短く、第２パターン１４ｂが有する誘導成分は分岐線路１３の第２パターン１３ｂが有する誘導成分と異なる。

分岐線路１３の第２パターン１３ｂと分岐線路１４の第２パターン１４ｂとは、分岐線路１３と分岐線路１４とを互いに電磁的に結合する結合部をなしている。つまり、図１に示すように、分岐線路１３と分岐線路１４とは離間して形成されているものの、分岐線路１３を伝播する高周波信号が第２パターン部１３ｂに至ると、その成分の一部が第２パターン部１４ｂを介して分岐線路１４に伝播される。ここで、分岐線路１３と分岐線路１４とが「電磁的に結合」しているとは、分岐線路１３と分岐線路１４との間隔（つまり、第２パターン１３ｂ，１４ｂの間隔）Δｔが、（Ｂ）に示す誘電体基板ＳＢの厚みｔ０の３倍以下である状態をいう。なお、誘電体基板ＳＢの裏面には、接地電位に設定されるグランドパターン１６が設けられている。

高周波回路を設計するのにあたり、パターン間を電磁的に絶縁する場合には、経験的にパターンの間隔を誘電体基板ＳＢの厚みｔ０の３倍よりも大きくしている。たとえば、誘電体基板ＳＢの厚みｔ０が０．５ｍｍの場合には、パターンの間隔を１．５ｍｍよりも大きくすれば、そのパターン間における高周波信号の伝播を無視することができる。逆に、パターンの間隔が誘電体基板ＳＢの厚みｔ０の３倍以下である場合には、そのパターン間における高周波信号の伝播を無視することができず、パターン間が電磁的に結合しているということができる。以上から、分岐線路１３と分岐線路１４との間隔Δｔが誘電体基板ＳＢの厚みｔ０の３倍以下である場合には、分岐線路１３と分岐線路１４とが「電磁的に結合」しているということができる。

なお、上述の通り、分岐線路１３と分岐線路１４との間隔Δｔが誘電体基板ＳＢの厚みｔ０の３倍以下であれば分岐線路１３と分岐線路１４とが「電磁的に結合」しているということができる。しかしながら、分岐線路１３と分岐線路１４との電磁的結合の度合いを示す結合係数ｋを大きくするためには、分岐線路１３と分岐線路１４との間隔（第２パターン１３ｂ，１４ｂの間隔）Δｔを、誘電体基板ＳＢの厚みｔ０以下にすることが望ましい。

ここで、分岐線路１３と１４を電磁的に結合させる結合部を設けるのは、高周波フィルタ１０のＱ値を大きくするためである。つまり、図１に示す高周波フィルタ１０が備える分岐線路１３〜１５は、高周波信号に対して誘導成分（正確には、誘導成分および容量成分）として作用するため、結合部を設けなくともフィルタ回路が形成されており、あるＱ値を有する。これに加えて、本実施形態では分岐線路１３、１４を電磁的に結合させることで共振を生じさせ、上記のＱ値と共振との相乗効果によりＱ値を大きくして減衰特性を急峻にしている。

分岐線路１５は、入力線路１１および出力線路１２に接続されたコ字形状の線路であり、その幅ｗ５が入力線路１１の幅ｗ１および出力線路１２の幅ｗ２よりも狭く、高周波信号に対して誘導成分として作用する。なお、以上の高周波フィルタ１０が形成される誘電体基板ＳＢは、一般的に用いられるガラスエポキシ基板等の安価な基板である。以上説明した、分岐線路１３〜１５が伝送方向に占める大きさは数ｍｍ程度であり、交差方向に占める大きさは十数ｍｍ程度である。

上記構成において、入力線路１１から入力された高周波信号は、入力線路１１に接続された分岐線路１３を伝播する信号と、分岐線路１５を伝播する信号とに分岐される。分岐された一方の信号は、分岐線路１３の第１パターン１３ａを介して第２パターン１３ｂに至り、その一部が第２パターン１３ｂと電磁的に結合している分岐線路１４の第２パターン１４ｂに伝播する。そして、分岐線路の第２パターン１４ｂから第１パターン１４ａを介して出力線路１２に至る。他方、分岐された他方の信号は、コ字形状の分岐線路１５を介して出力線路１２に至る。分岐線路１３，１４を介した信号と、分岐線路１５を介した信号とは、出力線路１２において合成されて出力される。

このように構成することにより、出力線路１２から合成されて出力される信号の周波数応答特性は、図２に示すように従来構成よりも広い遮断帯域幅になるカットオフ周波数を持つＢＥＦ特性になる。

図３は、本発明の他の実施例を示す構成説明図であり、図１の基本構成に基づきオープンスタブを多段化したものである。図３において、高周波フィルタ２０は、高周波信号の伝送線路としての入力線路２１および出力線路２２の間に、分岐線路２３〜２６と分岐線路２７（第２分岐線路）とを形成したものである。なお、図３に示す高周波フィルタ２０も、入力線路２１側から見た場合と出力線路２２側から見た場合とでは非対称に形成されている。

分岐線路２３は交差方向に延びる第１パターン２３ａと第２パターン２３ｂとで構成され、分岐線路２４は交差方向に延びる第１パターン２４ａと第２パターン２４ｂとで構成され、分岐線路２５は交差方向に延びる第１パターン２５ａと第２パターン２５ｂとで構成され、分岐線路２６は交差方向に延びる第１パターン２６ａと第２パターン２６ｂとで構成されている。これら分岐線路２３〜２６を構成する第１パターン２３ａ〜２６ａと第２パターン２３ｂ〜２６ｂの幅と長さはそれぞれ異なるように、上向きの同一方向に形成されている。

このように分岐線路２３〜２６を構成する第１パターン２３ａ〜２６ａと第２パターン２３ｂ〜２６ｂの幅と長さがそれぞれ異なるように形成されていることにより、分岐線路２３〜２６について隣接する分岐線路間の電磁的結合の度合いを示す結合係数ｋは、それぞれ異なった値になる。

図３のように構成することにより、出力線路２２から合成されて出力される信号の周波数応答特性は、図４に示すように図１の構成よりもさらに広い遮断帯域幅になるカットオフ周波数を持つＢＥＦ特性になる。

図５も本発明の他の実施例を示す構成説明図であり、図３におけるオープンスタブの多段化の変形例である。図３の構成では分岐線路２３〜２６が上向きの同一方向に形成されているが、図５の構成では分岐線路は上下方向に分散して形成されている。

（Ａ）に示す高周波フィルタ３０は、入力線路３１に対して上向き方向に分岐線路３３と３４が形成され、出力線路３２に対して下向き方向に分岐線路３５と３６が形成されている。分岐線路３３は上向き交差方向に延びる第１パターン３３ａと第２パターン３３ｂとで構成され、分岐線路３４は上向き交差方向に延びる第１パターン３４ａと第２パターン３４ｂとで構成され、分岐線路３５は下向き交差方向に延びる第１パターン３５ａと第２パターン３５ｂとで構成され、分岐線路３６は下向き交差方向に延びる第１パターン３６ａと第２パターン３６ｂとで構成されている。

また、（Ａ）に示す高周波フィルタ３０では、図１および図３の実施例ではコの字形で下向き方向に形成されている分岐線路１５または２７に相当するものはなく、入力線路３１の端部の下辺を延長させた形で分岐線路３３と３４が形成され、出力線路３２の端部の上辺を延長させた形で分岐線路３５と３６が形成されている。すなわち、交差方向に形成された分岐線路をパターンで連結する分岐線路は、コ字形状に限るものではない。

高周波フィルタ３０における電磁的結合は、上向き方向に形成されている分岐線路３３と３４との間と、下向き方向に形成されている分岐線路３５と３６との間で発生する。これにより、図４とほぼ同様なＢＥＦ特性が得られる。

（Ｂ）に示す高周波フィルタ４０は、入力線路４１に対して上向き方向に形成された分岐線路４３と下向き方向に形成された分岐線路４４および出力線路４２に対して下向き方向に形成された分岐線路４５と上向き方向に形成された分岐線路４６で構成されている。分岐線路４３は上向き交差方向に延びる第１パターン４３ａと第２パターン４３ｂとで構成され、分岐線路４４は下向き交差方向に延びる第１パターン４４ａと第２パターン４４ｂとで構成され、分岐線路４５は下向き交差方向に延びる第１パターン４５ａと第２パターン４５ｂとで構成され、分岐線路４６は上向き交差方向に延びる第１パターン４６ａと第２パターン４６ｂとで構成されている。

高周波フィルタ４０における電磁的結合は、上向き方向に形成されている分岐線路４３と４６との間では殆ど無視できる程度であり、下向き方向に形成されている分岐線路４４と４５との間で発生するものが支配的になる。これにより、図２とほぼ同様なＢＥＦ特性が得られる。

なお、図５のように、分岐線路を上下方向に分散して形成することにより、高周波フィルタの外形形状の幅方向への広がりを抑制できる。

また、分岐線路間の電磁的結合について、上記各実施例では同一平面上に形成されたパターン間で行う例を示しているが、図６に示すように多層基板の上下層のパターン間で行うものであってもよい。これによっても、高周波フィルタの外形形状の幅方向への広がりを抑制できる。

また、分岐線路間の電磁的結合について、上記各実施例ではいずれも分岐線路の先端部に形成されている幅広のオープンスタブで行っているが、先端部のオープンスタブは幅狭にして途中部分を幅広にし、これら幅広の途中部分で電磁的結合させてもよい。また、分岐線路全体を幅狭にし、電磁的結合させたい部分のパターンを湾曲あるいは蛇行させて接近させるようにしてもよい。

また、前記実施例では、マイクロストリップラインを用いて形成された高周波フィルタについて説明したが、エンベデッドマイクロストリップライン、アシンメトリックストリップラインなどを用いて形成することもできる。
さらに、本発明はマイクロストリップラインに制限されものではなく、導波管や周波数選択膜（FSS：Frequency Selective Surfaces）にも適用することができる。

以上説明したように、本発明によれば、超小型で帯域内における挿入損失が少なく、減衰特性が急峻でかつ減衰量を大きく確保でき、通過帯域や遮断領域の広帯域化が容易に実現できる低コストの高周波フィルタを実現できる。

本発明の一実施例を示す構成説明図である。 図１の周波数応答特性図である。 本発明の他の実施例を示す構成説明図である。 図３の周波数応答特性図である。 本発明の他の実施例を示す構成説明図である。 本発明の他の実施例を示す構成説明図である。 従来の代表的な分布定数型ＢＥＦの一例を示す構成説明図である。 図７の周波数応答特性図である。

符号の説明

１０、２０、３０、４０ 高周波フィルタ
１１、２１，３１、４１ 入力線路
１２、２２，３２、４２ 出力線路
１３〜１５、２３〜２７、３３〜３６、４３〜４６ 分岐線路

Claims (8)

1. 高周波信号の伝送線路に対して交差する方向に設けられ、互いに電磁的に結合する結合部を有する複数の分岐線路を備え、前記高周波信号から特定の周波数成分をフィルタリングする高周波フィルタであって、
   前記複数の分岐線路は非対称に形成されていることを特徴とする高周波フィルタ。
2. 前記分岐線路は、隣接する一対の分岐線路を単位として電磁的に結合することを特徴とする請求項１記載の高周波フィルタ。
3. 前記結合部は、前記分岐線路の一部に設けられることを特徴とする請求項１または請求項２記載の高周波フィルタ。
4. 前記分岐線路部は、前記高周波信号の伝送線路よりも幅が狭く、前記高周波信号に対して誘導成分として作用する第１パターンと、
   前記第１パターンよりも幅が広く、前記結合部をなす第２パターンとからなることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載の高周波フィルタ。
5. 前記第１パターンおよび前記第２パターンは、共に前記高周波信号の伝送線路に対して交差する方向に形成されていることを特徴とする請求項４記載の高周波フィルタ。
6. 前記分岐線路に対応して前記伝送線路の途中に設けられ、前記伝送線路よりも幅が狭く前記高周波信号に対して誘導成分として作用する第２分岐線路を備えることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれかに記載の高周波フィルタ。
7. 前記第２分岐線路はコ字形状であることを特徴とする請求項６記載の高周波フィルタ。
8. 前記伝送線路及び前記分岐線路は誘電体基板上に形成されており、隣接する分岐線路の前記結合部は、その間隔が前記誘電体基板の厚みの３倍以下となるよう配置されることを特徴とする請求項１から請求項７のいずれかに記載の高周波フィルタ。

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