JP3839410B2

JP3839410B2 - フィルタおよび共振器の配置方法

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Publication number: JP3839410B2
Application number: JP2003033705A
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Inventors: 達也福永
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Filing date: 2003-02-12
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Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えばマイクロ波またはミリ波などの高周波帯域の信号を対象としたフィルタおよびそれを構成する共振器の配置方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、通信分野においては、例えばマイクロ波またはミリ波などの高周波帯域の信号を対象としたフィルタが開発されている。フィルタの種類としては、例えば導波管フィルタおよび導波管型誘電体フィルタなどが知られている。
【０００３】
図１１は、従来の導波管フィルタの構成例を示している。この導波管フィルタは、配線基板１１０上に、導波管からなる複数の共振器１０１〜１０５を直列的に配置した構成となっている。配線基板１１０の両端部には、信号の入力部１１１と出力部１１２とが設けられている。共振器１０１〜１０５は、入力部１１１と出力部１１２との間に配置されている。
【０００４】
図１２は、この導波管フィルタにおける共振器１０１〜１０５の結合状態を示している。この導波管フィルタは、共振器１０１〜１０５の隣り合うもの同士が、結合係数ｋ12，ｋ23，ｋ34，ｋ45で順次、直列的に電磁結合された状態となっている。この導波管フィルタでは、これら電磁結合された共振器１０１〜１０５における共振周波数帯域の信号が通過し、それ以外の帯域の信号が反射される。
【０００５】
このように直列的に複数の共振器を接続してフィルタを構成した従来例としては、例えば以下の特許文献記載のものがある。特許文献１には、複数の共振素子を備えた直方体形状の誘電体ブロックを配線基板上に搭載した導波管型誘電体フィルタの例が記載されている。特許文献２には、導波管の側壁としてスルーホールを用いた構成の誘電体フィルタの例が記載されている。
【０００６】
【特許文献１】
特開２００２−４３８０７号公報
【特許文献２】
特開２００２−２６６１１号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、近年では通信機器に使用される信号の高周波数化が進んでおり、フィルタの周波数特性も良好なものが望まれている。そこで例えば、特定周波数帯域のみを通過させるバンドパスフィルタを構成する場合、通過帯域以外の領域に減衰極（トラップ）を形成し、減衰特性を向上させることが考えられる。例えば図１３に示したように、入力部１１１と出力部１１２との間に、信号の伝搬経路１２１，１２２が２つ並列的に接続されていれば、２つの伝搬経路１２１，１２２で位相差がπずれたときに、電磁波が打ち消し合い減衰極が形成される。しかしながら、従来の導波管フィルタは、図１１に示したように導波管を直列的に接続する構造であり、複数の伝搬経路を形成するような構造とはなっていないため、減衰極を発生させることができない。
【０００８】
本発明はかかる問題点に鑑みてなされたもので、その目的は、減衰極の形成を可能にし、それにより良好な周波数特性を得ることができるフィルタおよび共振器の配置方法を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明によるフィルタは、導体によって囲まれた電磁波の伝搬領域を有する導波路からなる３以上の共振器を備えたフィルタであって、１の共振器の入力端から入力された電磁波が、他の共振器の出力端から出力されるようになされ、入力端と出力端との間で複数の伝搬経路が形成されるように、各共振器が配置され、かつ、互いに隣接するようにして配置された少なくとも３つの共振器を含み、それら３つの共振器が全体としてＹ字状に配置され、それらの各共振器が、互いに隣接する直線状の側壁を少なくとも２つ有し、それらの各共振器において、一方の側壁が全体的に、隣接する一方の共振器の１つの側壁として共有され、他方の側壁が全体的に、隣接する他方の共振器の１つの側壁として共有されることにより、それらの各共振器同士の境界部分が全体としてＹ字状に形成されているものである。
【００１０】
本発明による共振器の配置方法は、導体によって囲まれた電磁波の伝搬領域を有する導波路からなる３以上の共振器を配置する方法であって、１の共振器の入力端から入力された電磁波が、他の共振器の出力端から出力されるように各共振器を配置すると共に、入力端と出力端との間で複数の伝搬経路が形成されるように、各共振器を配置し、かつ、互いに隣接するようにして少なくとも３つの共振器を全体としてＹ字状に配置し、それらの各共振器において、互いに隣接する直線状の側壁を少なくとも２つ形成し、一方の側壁を全体的に、隣接する一方の共振器の１つの側壁として共有させ、他方の側壁を全体的に、隣接する他方の共振器の１つの側壁として共有させることにより、それらの各共振器同士の境界部分を全体としてＹ字状に形成するようにしたものである。
【００１１】
本発明によるフィルタおよび共振器の配置方法では、導体によって囲まれた電磁波の伝搬領域を有する導波路によって３以上の共振器が形成される。各共振器は、１の共振器の入力端から入力された電磁波が、他の共振器の出力端から出力されるように配置されると共に、入力端と出力端との間で複数の伝搬経路が形成されるように、配置される。複数の伝搬経路が形成されることにより、減衰極が形成される。
【００１２】
本発明によるフィルタにおいて、電磁波の伝搬領域は、誘電体で形成されていても良いし、空洞の構造であっても良い。また、各共振器は、例えば、入力端と出力端とを含む平面方向に沿って平面的に配置されていても良い。
【００１４】
また本発明によるフィルタにおいて、各共振器は、例えば、互いに対向する２層の導体層とこれら２層の導体層の間に形成された側壁とを有し、これら２層の導体層と側壁とによって形成された領域内を電磁波が伝搬するようになされ、一部またはすべての共振器の側壁が分岐構造を有し、その分岐している部分に複数の共振器が結合されるような構造にすることができる。
【００１５】
この場合、分岐構造を有する部分の共振器の側壁は、例えばＹ字状にすることができる。各共振器の側壁は、各導体層の間を導通するスルーホールによって形成されていても良い。また、各共振器の側壁を、連続した導体壁によって形成しても良い。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。
【００１７】
図１は、本発明の一実施の形態に係るフィルタの構成例を示している。このフィルタは、例えば高周波フィルタとして使用することができ、例えばＭＭＩＣ（モノリシックマイクロ波集積回路）などに搭載して使用される。
【００１８】
このフィルタは、複数の共振器１１〜１３と、信号の入力部２および出力部３とを備えている。入力部２および出力部３と共振器１１〜１３とは、一体的に形成されている。第１の共振器１１の入力端１１Ａ（図２（Ａ））は、入力部２に接続され、第３の共振器１３の出力端１３Ａ（図２（Ａ））は、出力部３に接続されている。各共振器１１〜１３は、第１の共振器１１の入力端１１Ａと第３の共振器１３の出力端１３Ａとを含む平面方向に沿って平面的に配置されている。
【００１９】
入力部２および出力部３は、誘電体基板２０と、この誘電体基板２０を挟んで互いに対向する導体層２１，２２とを有して形成されている。入力部２および出力部３は、例えば、ＴＥＭモードで電磁波を伝搬するコプレーナ線路で形成することができる。この場合、上側の導体層２２に一部導体を設けない領域を形成し、それぞれに線路パターン２Ａ，３Ａを形成する。入力部２および出力部３は、線路パターン２Ａ，３Ａが延在する方向側から共振器１１，１３の端面に接続される。共振器１１，１３は、例えばＴＥモードで電磁波を伝搬するものであり、入力部２および出力部３と共振器１１，１３との間でＴＥＭモードとＴＥモードとの変換がなされる。なお、入力部２および出力部３の構造、ならびにそれらと共振器１１，１３との接続構造は、図示した構造に限定されるものではなく、従来からあるその他の一般的な技術を用いることも可能である。
【００２０】
各共振器１１〜１３は、誘電体基板２０および導体層２１，２２と、これら導体層２１，２２間を導通する複数のスルーホール１４とを有して形成されている。スルーホール１４の内面はメタライズされている。スルーホール１４の断面形状は、円形に限らず、多角形または楕円等、他の形状であっても良い。スルーホール１４は、伝搬される電磁波が漏れ出さないよう、所定値以下（例えば信号波長の１／４以下）の間隔で設けられており、擬似的な導体壁として機能している。
【００２１】
各共振器１１〜１３は、導体層２１，２２とスルーホール１４とにより、導波管型導波路を形成し、それらで形成された導体壁で囲まれた領域内を、例えばＴＥモードで電磁波が伝搬するようになっている。なお、各共振器１１〜１３は、その電磁波の伝搬領域が誘電体で満たされた誘電体導波管の構成であっても良いし、内部を空洞にしたキャビティ導波管の構成であっても良い。
【００２２】
また、各共振器１１〜１３の大きさ（共振器を構成する導波路の長さ等）は、要求されるフィルタの特性（共振周波数帯域等）に応じて適宜設定される。従って通常は、辺の長さ（側壁部分の長さ）は、各共振器１１〜１３で異なっている。
【００２３】
図２（Ａ），（Ｂ）は、各共振器１１〜１３の結合・配置状態を説明するためのものである。なお、図２（Ａ）は、各共振器１１〜１３の配置状態、結合状態を模式的に示したものであり、各共振器１１〜１３の構造を厳密に図示したものではない。
【００２４】
図２（Ａ）にも示したように、各共振器１１〜１３は、互いに隣接するようにして配置され、それら隣接配置された各共振器１１〜１３が全体としてＹ字状に配置された状態となっている。また、各共振器１１〜１３は、スルーホール１４によって形成された側壁の一部に分岐構造を有し、その分岐している部分において他の共振器と結合されている。分岐構造を有する部分の共振器１１〜１３の側壁（各共振器１１〜１３同士の境界部分）は、例えば全体としてＹ字状となっている。その分岐構造を有する部分（共振器同士の結合部分）には、結合窓３１〜３３が設けられ、それら結合窓３１〜３３を介して各共振器１１〜１３が電磁的に相互接続されている。結合窓３１〜３３は、スルーホール１４を設けないことで形成されている。
【００２５】
図２（Ｂ）に示したように、このフィルタでは、第１の共振器１１が、第２の共振器１２および第３の共振器１３に、それぞれ結合係数ｋ12，ｋ13で電磁結合されている。また、第２の共振器１２が、第１の共振器１１および第３の共振器１３に、それぞれ結合係数ｋ12，ｋ23で電磁結合されている。
【００２６】
なお、各共振器１１〜１３の結合の強さなどの調整は、結合窓３１〜３３の位置や大きさを変えることにより調整することができる。また、結合窓３１〜３３の結合調整を行うことにより、後述するように減衰極の制御を行うことができる。また、結合窓３１〜３３は、隣接する共振器同士との間で２つ以上設けられていても良い。例えば、第１の共振器１１と第３の共振器１３との間で、結合窓３３が複数設けられていても良い。
【００２７】
各共振器１１〜１３が以上のような分岐構造で結合されていることにより、このフィルタでは、信号の伝搬経路が２つ形成されている。すなわち、第１の経路４１が、第１の共振器１１と第３の共振器１３とにより形成され、第２の経路４２が、第１の共振器１１、第２の共振器１２、および第３の共振器１３により形成されている。これにより入力部２を介して第１の共振器１１の入力端１１Ａから入力された電磁波信号は、２つの伝搬経路４１，４２を通り、第３の共振器１３の出力端１３Ａを介して出力部３から共通出力されるようになっている。
【００２８】
次に、以上のように構成されたフィルタの作用を説明する。
【００２９】
このフィルタでは、入力部２を介して、第１の共振器１１の入力端１１Ａから電磁波信号が入力される。入力された電磁波信号は、２つの伝搬経路４１，４２で伝搬される。すなわち、第１の経路４１として、第１の共振器１１および第３の共振器１３を順次伝搬する。また、第２の経路４２として、第１の共振器１１、第２の共振器１２、および第３の共振器１３を順次伝搬する。各共振器１１〜１３では、その構造に応じた共振周波数帯域の信号が通過し、それ以外の帯域の信号が反射される。２つの伝搬経路４１，４２によって伝搬された電磁波信号は、第３の共振器１３の出力端１３Ａを介して、出力部３から出力される。
【００３０】
ここで、このフィルタでは、２つの伝搬経路４１，４２が形成されていることにより、各伝搬経路４１，４２を伝搬する電磁波に位相差が生じる。そして、その位相差がπずれたときに電磁波が打ち消し合い、減衰極が形成される。
【００３１】
図３に、このフィルタによる実際の周波数特性の一例を示す。実線は、信号の通過特性を示し、点線は、反射特性を示している。縦軸は減衰量（ｄＢ）、横軸は周波数（ＧＨｚ）を示す。この例では、通過周波数帯域が約２２ＧＨｚ〜２３ＧＨｚとなっている。また、この通過周波数帯域よりも高い周波数（約２３．６ＧＨｚ）において、鋭い減衰極が形成されていることが分かる。
【００３２】
ここで、減衰極の制御方法について説明する。図４は、このフィルタにおいて、結合窓３１〜３３による結合の度合いを種々変えた場合における周波数特性を示している。より詳しくは、第１，第２の共振器１１，１２間の結合を調整する第１の結合窓３１と、第２，第３の共振器１２，１３間の結合を調整する第２の結合窓３２との大きさは変えずに、第１，第３の共振器１１，１３間の結合を調整する第３の結合窓３３の大きさのみを種々変えた場合における周波数特性を示している。
【００３３】
このようにして第３の結合窓３３の大きさを変えた場合、図４に示したように、第３の結合窓３３を小さくするに従い、すなわち、第１，第３の共振器１１，１３間の結合を弱くするに従い、減衰極が図の矢印方向（高周波側）に移動し、通過周波数帯域から段々離れていくことが観測された。ここで注目すべき特徴としては、減衰極が形成される周波数が移動しているにもかかわらず、通過周波数帯域自体にはほとんど影響が見られないことである。すなわち、結合窓３１〜３３による結合調整を行うことで、通過周波数帯域をほとんど変えることなく、減衰極を形成する周波数帯域のみを制御することが可能である。
【００３４】
次に、共振器１１〜１３の形状と結合状態との関係について述べる。例えば、図５に示したように、四角形状の共振器５１〜５３をＴ字状に結合する場合を考える。この場合、結合付近における例えば最低次のモードでのＨ面（磁界に平行な面）内での磁界強度分布は、図中ハッチング模様を施したようになる。すなわち、各共振器５１〜５３では、側壁の中央部分において磁界強度が強く、周辺に行くに従い磁界強度が弱くなる。ここで、各共振器５１〜５３同士を強く結合させるためには、互いに磁界強度が強くなっている部分で結合させる必要がある。
【００３５】
しかしながら、図示したように四角形状の共振器５１〜５３をＴ字状に結合する場合、各共振器５１〜５３を磁界強度が強くなっている部分同士で結合させることはできない。このため、各共振器５１〜５３同士の結合が弱くなってしまう。
【００３６】
一方、例えば図６に示したように、共振器６１〜６３を５角形状にしてＹ字状に結合する場合を考える。図中において、ハッチング模様を施した部分は図５と同様に磁界強度分布を表している。この構造の場合には、磁界強度が強くなっている部分同士が重なるようにして、各共振器６１〜６３を結合させることができる。このため、各共振器６１〜６３同士の結合を強くすることができる。図１に示した構造の場合も図６に示したものと同様に、結合部分がＹ字状となっており、各共振器１１〜１３同士を効率的に強く結合することができる。
【００３７】
以上説明したように、本実施の形態によれば、導波管型導波路により形成された共振器１１〜１３でありながら、電磁波の伝搬経路が２つ並列的に配置された構造になっているので、減衰極の形成が可能となり、それにより良好な周波数特性を得ることができる。また、各共振器１１〜１３同士の結合部分（境界部分）をＹ字状にしたので、効率的な結合を行うことができる。
【００３８】
［変形例］
次に、本実施の形態に係るフィルタおよび共振器の配置方法の変形例について説明する。
【００３９】
＜第１の変形例＞
図１に示したフィルタでは、３つの共振器１１〜１３を結合して２つの信号伝搬経路４１，４２を形成するようにしたが、結合する共振器の数は、４つ以上であっても良い。また、信号の伝搬経路を３つ以上形成しても良い。本変形例では、そのような構成例として４つの共振器を結合したフィルタについて説明する。
【００４０】
図７は、本変形例に係るフィルタの全体構成を示している。また図８に、このフィルタを構成する各共振器の配置・結合状態を模式的に示す。このフィルタは、４つの共振器７１〜７４を結合した４段フィルタの構成となっている。入力部２および出力部３の構造、および各共振器７１〜７４の個々の構造は、基本的に図１のフィルタと同様である。
【００４１】
各共振器７１〜７４の結合構造も基本的には図１のフィルタと同様であり、結合部分の分岐構造をＹ字状にしている。例えば、第１〜第３の共振器７１〜７３同士の結合構造に着目すると、Ｙ字状となっている。また、第２〜第４の共振器７２〜７４同士の結合構造に着目すると、Ｙ字状となっている。また、各共振器７１〜７４の結合部分には、結合窓８１〜８５が設けられ、それら結合窓８１〜８５を介して各共振器７１〜７４が電磁的に相互接続されている。
【００４２】
図９に、このフィルタによる実際の周波数特性の一例を示す。実線は、信号の通過特性を示し、点線は、反射特性を示している。縦軸は減衰量（ｄＢ）、横軸は周波数（ＧＨｚ）を示す。このフィルタでは、共振器の数および信号の伝搬経路が増えたことにより、減衰極が２つ形成されていることが分かる。
【００４３】
このように、本変形例によれば、結合する共振器の段数を増やすことで、伝搬経路も増え、これにより、減衰極の数も増やすことができるので、さらに良好な周波数特性を得ることができる。
【００４４】
＜第２の変形例＞
図１の構成例では、各共振器１１〜１３をスルーホール１４を用いて構成したが、スルーホール１４を用いない構成にすることも可能である。本変形例では、そのような構造のフィルタについて説明する。図１０は、本変形例におけるフィルタの構成を説明するためのものである。なお、この図では説明上、実際の構造を簡略化して示している。例えば図示していないが、実際にはこのフィルタの上面には、板状の導体層が積層され、全体として導波管フィルタの構造となっている。
【００４５】
このフィルタは、各共振器２１１〜２１３の側壁が、スルーホール１４を用いた場合とは異なり、連続した導体壁によって形成されている。各共振器２１１〜２１３は、図１のフィルタと同様に、結合窓２３１〜２３３を介して電磁的に相互接続されている。各共振器２１１〜２１３同士の結合部分（境界部分）には、立設したＹ字形状の導体壁２３０が形成されてる。このような構造は、例えば誘電体基板２００をマイクロマシン工法等を用いて各共振器２１１〜２１３の形状に合わせてくり抜き、そのくり抜かれた表面部分をメタライズすることにより製造することができる。また、金属よりなる基板を共振器形状に加工しても良い。
【００４６】
このフィルタの機能自体は、図１のフィルタと同様であり、入力部２０２を介して、第１の共振器２１１から電磁波信号が入力され、その入力された電磁波信号が、２つの伝搬経路４１，４２で伝搬される。２つの伝搬経路４１，４２によって伝搬された電磁波信号は、第３の共振器２１３を介して出力部２０３から出力される。２つの伝搬経路４１，４２が形成されることにより、各伝搬経路４１，４２を伝搬する電磁波に位相差が生じ、減衰極が形成される。
【００４７】
なお、本発明は、以上の実施の形態に限定されず種々の変形実施が可能である。例えば、上記実施の形態では、複数の共振器を平面的に配置することによって複数の伝搬経路を形成する場合について説明したが、複数の共振器を立体的（３次元的）に配置することによって複数の伝搬経路を形成することも可能である。すなわち例えば、図１に示したフィルタにおいて、さらに高さ方向（上側または下側）に共振器を結合するような構造も可能である。
【００４８】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明のフィルタまたは共振器の配置方法によれば、１の共振器の入力端から入力された電磁波が、他の共振器の出力端から出力されるように各共振器を配置すると共に、入力端と出力端との間で複数の伝搬経路が形成されるように、各共振器を配置するようにしたので、減衰極の形成が可能となり、それにより良好な周波数特性を得ることができる。
【００４９】
また、本発明のフィルタまたは共振器の配置方法によれば、互いに隣接するようにして配置された少なくとも３つの共振器を含み、それら隣接配置された複数の共振器を全体としてＹ字状に配置すると共に、各共振器同士の境界部分を、全体としてＹ字状に形成するようにしたので、磁界強度が強くなっている部分同士が重なるようにして、各共振器同士を結合させることができる。これにより、各共振器同士を効率的に強く結合することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態に係るフィルタの構成例を示す斜視図である。
【図２】図１に示したフィルタにおける各共振器の結合状態を説明するための概念図である。
【図３】図１に示したフィルタの周波数特性を示す特性図である。
【図４】図１に示したフィルタに生じる減衰極の制御方法を説明するための図である。
【図５】Ｔ字構造での結合強度を説明するための図である。
【図６】Ｙ字構造での結合強度を説明するための図である。
【図７】本発明の一実施の形態に係るフィルタの第１の変形例としての４段構造のフィルタを示す斜視図である。
【図８】図７に示したフィルタにおける各共振器の結合状態を説明するための概念図である。
【図９】図７に示したフィルタの周波数特性を示す特性図である。
【図１０】本発明の一実施の形態に係るフィルタの第２の変形例の説明図である。
【図１１】従来のフィルタの構成例を示す斜視図である。
【図１２】従来のフィルタにおける共振器同士の結合状態を示す説明図である。
【図１３】減衰極を作ることが可能なフィルタの概念を示す説明図である。
【符号の説明】
２…入力部、３…出力部、１１〜１３…共振器、１４…スルーホール、２０…基板、２１，２２…導体層、３１〜３３…結合窓。

Claims

導体によって囲まれた電磁波の伝搬領域を有する導波路からなる３以上の共振器を備えたフィルタであって、
１の共振器の入力端から入力された電磁波が、他の共振器の出力端から出力されるようになされ、
前記入力端と前記出力端との間で複数の伝搬経路が形成されるように、前記各共振器が配置され、かつ、
互いに隣接するようにして配置された少なくとも３つの共振器を含み、それら３つの共振器が全体としてＹ字状に配置され、それらの各共振器が、互いに隣接する直線状の側壁を少なくとも２つ有し、それらの各共振器において、一方の側壁が全体的に、隣接する一方の共振器の１つの側壁として共有され、他方の側壁が全体的に、隣接する他方の共振器の１つの側壁として共有されることにより、それらの各共振器同士の境界部分が全体としてＹ字状に形成されている
ことを特徴とするフィルタ。
前記各共振器が、前記入力端と前記出力端とを含む平面方向に沿って平面的に配置されている
ことを特徴とする請求項１記載のフィルタ。
前記各共振器は、互いに対向する２層の導体層とこれら２層の導体層の間に形成された側壁とを有し、これら２層の導体層と側壁とによって形成された領域内を電磁波が伝搬するようになされている
ことを特徴とする請求項１または２に記載のフィルタ。
前記各共振器の側壁が、各導体層の間を導通するスルーホールによって形成されている
ことを特徴とする請求項３に記載のフィルタ。
前記各共振器の側壁が、連続した導体壁によって形成されている
ことを特徴とする請求項３に記載のフィルタ。
前記電磁波の伝搬領域は、空洞の構造となっている
ことを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１項に記載のフィルタ。
導体によって囲まれた電磁波の伝搬領域を有する導波路からなる３以上の共振器を配置する方法であって、
１の共振器の入力端から入力された電磁波が、他の共振器の出力端から出力されるように前記各共振器を配置すると共に、
前記入力端と前記出力端との間で複数の伝搬経路が形成されるように、前記各共振器を配置し、かつ、
互いに隣接するようにして少なくとも３つの共振器を全体としてＹ字状に配置し、
それらの各共振器において、互いに隣接する直線状の側壁を少なくとも２つ形成し、一方の側壁を全体的に、隣接する一方の共振器の１つの側壁として共有させ、他方の側壁を全体的に、隣接する他方の共振器の１つの側壁として共有させることにより、それらの各共振器同士の境界部分を全体としてＹ字状に形成する
ことを特徴とする共振器の配置方法。