JP4438253B2 - バンドパスフィルタの特性調整方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はマイクロ波やミリ波帯のような高周波用途で用いられるバンドパスフィルタの特性調整方法に関し、例えばマイクロストリップライン構造やトリプレート構造有するバンドパスフィルタの特性調整方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、高周波領域で用いられるバンドパスフィルタとして、デュアルモード・バンドパスフィルタが種々提案されている（MINIATURE DUAL MODE MICROSTRIP FILTERS, J.A. Curtis and S.J. Fiedziuszko, 1991 IEEE MTT-S Digestなど）。
【０００３】
図１１及び図１２は、従来のデュアルモード・バンドパスフィルタを説明するための各模式的平面図である。
図１１に示すバンドパスフィルタ２００では、誘電体基板（図示せず）上に円形の導電膜２０１が形成されている。この導電膜２０１に、互いに９０°の角度をなすように、入出力結合回路２０２及び入出力結合回路２０３が結合されている。そして、上記入出力結合回路２０３が配置されている部分に対して中心角４５°の角度をなす位置に、先端開放スタブ２０４が形成されている。これによって共振周波数が異なる２つの共振モードが結合され、バンドパスフィルタ２００は、デュアルモード・バンドパスフィルタとして動作するように構成されている。
【０００４】
また、図１２に示すデュアルモード・バンドパスフィルタ２１０では、誘電体基板上に略正方形の導電膜２１１が形成されている。この導電膜２１１に、互いに９０°の角度をなすように、入出力結合回路２１２，２１３が結合されている。また、入出力結合回路２１３に対して１３５°の位置のコーナー部が欠落されている。欠落部分２１１ａを設けることにより、２つの共振モードの共振周波数が異ならされており、該２つのモードの共振が結合されて、バンドパスフィルタ２１０は、デュアルモード・バンドパスフィルタとして動作する。
【０００５】
他方、円形の導電膜に代えて、円環状の導電膜を用いたデュアルモードフィルタも提案されている（特開平９−１３９６１２号公報、特開平９−１６２６１０号公報など）。すなわち、円環状のリング伝送路を用い、図１１に示したデュアルモード・バンドパスフィルタと同様に、中心角９０°の角度をなすように入出力結合回路を配置し、かつリング状伝送路の一部に先端開放スタブを設けてなるデュアルモードフィルタが開示されている。
【０００６】
また、特開平６−１１２７０１号公報にも、同様のリング状伝送路を用いたデュアルモードフィルタが開示されている。図１３に示すように、このデュアルモードフィルタ２２１では、誘電体基板上に円環状の導電膜２２２が形成されているリング共振器が構成されている。ここでは、円環状の導電膜２２２に対して、互いに９０°をなすように４個の端子２２３〜２２６が構成されている。４個の端子のうち、互いに９０°の角度をなす位置に配置された２個の端子２２３，２２４が入出力結合回路２２７，２２８に結合されており、残りの２個の端子２２５，２２６が帰還回路２３０を介して接続されている。
【０００７】
上記構成により、１つのストリップ線路からなるリング共振器において、互いに結合しない直交モード共振を生じさせ、上記帰還回路２３０により結合度を制御することが可能である旨が記載されている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
図１１及び図１２に示した従来のデュアルモード・バンドパスフィルタでは、１つの導電膜パターンを形成することにより２段のバンドパスフィルタを構成することができ、従ってバンドパスフィルタの小型化を図り得る。
【０００９】
しかしながら、円形や正方形の導電膜パターンにおいて、上記特定の角度を隔てて入出力結合回路を結合する構成を有するため、結合度を大きくすることができず、広い通過帯域を得ることができないという欠点があった。
【００１０】
また、図１１に示されているバンドパスフィルタでは、導電膜２０１が円形であり、図１２に示すバンドパスフィルタでは、導電膜２１１がほぼ正方形と形状が限定されている。従って、設計の自由度が低いという問題もあった。
【００１１】
また、特開平９−１３９６１２号公報や特開平９−１６２６１０号公報に記載のようなリング状共振器を用いたデュアルモードバンドパスフィルタにおいても、同様に結合度を大きくすることが困難であり、かつリング状共振器の形状が限定されるという問題があった。
【００１２】
他方、前述した特開平６−１１２７０１号公報に記載のデュアルモードフィルタ２２１では、帰還回路２３０を用いることにより、結合度の調整が行われ、広帯域化が図られるとされている。しかしながら、この先行技術に記載のデュアルモードフィルタでは、帰還回路２３０が必要であり、回路構成が煩雑化するという問題があった。加えて、やはり、リング状共振器の形状が円環状と限定され、設計の自由度が低いという問題があった。
【００１３】
本発明の目的が、上述した従来技術の欠点を解消し、結合度を大きくすることができ、さらに結合度の調整が容易であり、さまざまな特性を容易に実現することができるバンドパスフィルタの特性調整方法を提供することにある。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明に係るバンドパスフィルタの特性調整方法は、第１，第２の主面を有する誘電体基板と、前記誘電体基板のある高さ位置において２つの共振モードを発生させる１枚の金属膜により形成された共振器と、前記共振器により生じる２つの共振モードを結合するために前記金属膜に設けられた貫通孔による結合回路と、前記共振器に結合された入出力回路部と、前記共振器と誘電体基板層と介して対向するように、誘電体基板の第１，第２の主面または誘電体基板内部に形成されたグラウンド電極とを備えるバンドパスフィルタの特性調整方法であって、前記共振器と前記グラウンド電極との間の距離を変化させることにより、特性を調整することを特徴とする、バンドパスフィルタの特性調整方法。
【００１６】
本発明の他の特定の局面では、前記共振器を構成する前記金属膜の一方主面側および他方主面側において、誘電体基板層を介してそれぞれグラウンド電極が形成されており、一方のグラウンド電極と共振器との間の距離が、他方のグラウンド電極と共振器との間の距離と異ならされている。
【００１７】
また、本発明の別の特定の局面では、共振器とグラウンド電極との間の距離が前記共振器の一部において異ならされており、それによって異ならせ方を工夫することにより、バンドパスフィルタの特性をより広い範囲に渡り調整することができる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しつつ本発明のバンドパスフィルタの特性調整方法の具体的な実施形態を説明することにより、本発明を明らかにする。
【００１９】
図１（ａ），（ｂ）は、本発明の第１の実施形態において特性が調整されるバンドパスフィルタを示す模式的平面断面図及び正面断面図である。
本発明で用いられるデュアルモード・バンドパスフィルタ１は、トリプレート構造を有する。すなわち、デュアルモード・バンドパスフィルタ１は、２．５ｍｍ×１．６ｍｍ×厚み０．６ｍｍの矩形板状の誘電体基板２を有する。本実施形態では、誘電体基板２は、比誘電率＝７、及びｔａｎδ＝０．００１（３０ＧＨｚにおける値）のＭｇ−Ｓｉ−Ｂ−Ｏ系ガラスセラミックスにより構成されている。もっとも、誘電体基板２は、他のセラミック材料や、合成樹脂などにより構成されていてもよい。
【００２０】
上記誘電体基板２の上面２ａ及び下面２ｂには、それそれ、全面にグラウンド電極３，４が形成されている。他方、誘電体基板２の中間高さ位置には、金属膜５が形成されている。バンドパスフィルタの中心周波数が約２２ＧＨｚとなるように、金属膜５は本実施形態では、１．６×１．２ｍｍの寸法の長方形の形状を有し、かつ該金属膜５の中心に１．５×０．６ｍｍの長方形の貫通孔５ａが形成されている。この金属膜５は、２つの共振器を構成するものであり、かつ上記貫通孔５ａの形成により、長方形の金属膜５の長辺方向及び短辺方向に伝搬する２つの共振モードが結合され、デュアルモード・バンドパスフィルタとしての特性が得られるように構成されている。
【００２１】
すなわち、上記貫通孔５ａは、本発明における結合回路を構成するために設けられている。
誘電体基板２内においては、金属膜５が形成されている高さ位置において、金属膜５の短辺側の端縁５ｂ，５ｃと所定距離を隔てて、入出力電極６，７が形成されている。入出力電極６，７は、金属膜５に容量結合されている。すなわち、入出力電極６，７の金属膜５の短辺側の端縁５ｂ，５ｃに対向している端縁６ａ，７ａと、該端縁５ｂ，５ｃとの対向距離を調整することにより、入出力電極６，７が、金属膜５に容量結合されている。本実施形態では、入出力電極６，７の端縁６ａ，７ａ金属膜５の端縁５ｂ，５ｃの端縁との対向距離は４０μｍとされている。
【００２２】
入出力電極６，７は、誘電体基板２の一対の短辺側の側面２ｃ，２ｄに引き出されており、かつ側面２ｃ，２ｄにおいて下方に延ばされている。もっとも、入出力電極６，７は、グラウンド電極４と電気的に分離されている必要がある。従って、入出力電極６，７の側面２ｃ，２ｄに至っている部分は、誘電体基板２の下面２ｂには至らない長さとされている。
【００２３】
また、上記入出力電極６，７の金属膜５と同じ高さ位置にある電極部分は、０．４×０．３ｍｍの長方形の形状とされている。
上記入出力電極６，７のうち誘電体基板２の側面２ｃ，２ｄに至っている部分は、幅３００μｍ、高さ方向寸法０．２ｍｍとされている。
【００２４】
上記入出力電極６，７は、外部に電気的に接続され、入出力電極６から入力信号が加えられ、入出力電極７から出力が取り出されるように構成されている。
上記誘電体基板２内には、入出力電極６，７が設けられている部分の両側に、ビアホール電極８，９が形成されている。ビアホール電極８，９は、誘電体基板２の上面２ａから下面２ｂに至るように形成されており、グラウンド電極３とグラウンド電極４とを電気的に接続している。
【００２５】
本実施形態のデュアルモード・バンドパスフィルタ１では、入出力電極６，７のうち、一方の入出力電極６から入力信号が引加されると、金属膜５が共振する。この場合、入出力電極６，７を結ぶ方向、すなわち金属膜５の長辺方向に伝般する共振と、短辺方向に伝般する共振とが生じる。そして、上記金属膜５ａが形成されているため、この２つの共振モードが結合され、デュアルモード・バンドパスフィルタとしての特性を得ることができる。
【００２６】
図２は、デュアルモード・バンドパスフィルタの周波数特性を示す図であり、図２において、実線は反射特性を、波線は通過特性を示す。図２から明らかなように、上記デュアルモード・バンドパスフィルタでは、金属膜５において生じた２つの共振モードが貫通孔５ａにより結合され、バンドパスフィルタとしての通過帯域を得ることができることがわかる。
【００２７】
なお、図３は、上記貫通孔５ａを設けずに、金属膜５において、長辺方向に伝般する共振モードと短辺方向に伝般する共振とを分離した場合の金属膜５の反射特性を示す。図３から明らかなように、矢印Ａで示す共振モードと、矢印Ｂで示す共振モードとが現れている。矢印Ａで示す低周波数側の共振モードが、金属膜５の長辺方向に伝般する共振であり、矢印Ｂで示す共振が、短辺方向に伝般する共振である。
【００２８】
本願発明者は、図３に示す共振特性が得られた構造、すなわち貫通孔５ａが設けられていないことを除いては、図１に示したデュアルモード・バンドパスフィルタ１と同様に構成された構造において、金属膜５とグラウンド電極３，４との間の距離を変化させ、それによって共振器としての金属膜５の外部Ｑ値、すなわち外部線路との結合の程度と、無負荷Ｑ値とがどのように変化するかを調べた。
【００２９】
まず、金属膜５の位置を変化させず、誘電体基板２の厚みのみを変化させた。すなわち、グラウンド電極３と金属膜５との間の距離及びグラウンド電極４と金属膜５との間の距離が同じように変化する場合の共振器の外部Ｑ値を及び無負荷Ｑ値の変化を調べた。このようにして、誘電体基板２の厚みを変化させた場合の無負荷Ｑ値の変化を図４に示す。なお、図４においては、図３に示した２つの共振のうち、矢印Ａで示す共振モードについての結果のみが示されている。矢印Ｂに示されていた短辺方向に伝般する共振モードについての結果は示さないが、矢印Ａで示す共振モードと同様に変化する傾向があることが確かめられている。
【００３０】
図４から明らかなように、誘電体基板２の厚みが増加するにつれて、すなわち金属膜５とグラウンド電極３，４との間の距離が広がるにつれて、無負荷Ｑ値が大きくなることがわかる。
【００３１】
他方、外部Ｑ値の直接的な評価は困難であるため、代わりに、外部線路と共振器５との結合の強弱を以下の方法で評価した。すなわち、誘電体基板２の厚みが増減したとしても、共振器の反射損失のピーク値が一定となるように、すなわち外部線路との整合状態が一定となるように調節して、外部線路と共振器との結合の程度を評価した。なお、整合状態を一定とするための調節は、入出力電極６，７と共振器を構成する金属膜５との間の対向距離を変化させることにより行った。このようにして、誘電体基板２の厚みを増減させた時の入出力電極６，７と金属膜５との間の対向距離の変化を図５に示す。
【００３２】
図５から明らかなように、誘電体基板２の厚みが小さくなり、金属膜５とグラウンド電極３，４との間の距離が小さくなる程、入出力電極６，７と金属膜５との間の対向距離を小さくする必要のあることがわかる。すなわち、金属膜５とグラウンド電極３，４との距離が小さくなる程、外部線路と共振器との結合が弱くなるため、一定の結合量を得るには、上記入出力電極６，７と金属膜５との対向距離を小さくする必要のあることがわかる。従って、金属膜５とグラウンド電極３，４との間の距離を小さくすることにより、外部Ｑ値が大きくなり、結果として負荷Ｑが大きくなることがわかる。
【００３３】
図４及び図５の結果から、誘電体基板２厚みを大きくし、金属膜５とグラウンド電極３，４との間の距離を大きくすることにより、共振器の無負荷Ｑ値が大きく、負荷Ｑ値が小さくなること、並びに金属膜５とグラウンド電極３，４との間の距離を小さくすることにより、無負荷Ｑ値が小さくなり、負荷Ｑ値が大きくなることが確かめられた。
【００３４】
上記のように、金属膜５とグラウンド電極３，４との間の距離を変化させた場合のデュアルモード・バンドパスフィルタ１の特性を確認した。
前述したように、誘電体基板２の厚みが０．６ｍｍである図１に示したデュアルモード・バンドパスフィルタ１では、図２に示すフィルタ特性が得られていた。そこで、誘電体基板２の厚みを０．６ｍｍから０．８ｍｍに大きくしたことを除いては、図１に示したデュアルモード・バンドパスフィルタ１と同様にして構成されたデュアルモード・バンドパスフィルタを作製し、そのフィルタ特性を測定した。結果を図６に示す。
【００３５】
図２と図６とを比較すれば明らかなように、誘電体基板２の厚みが０．６ｍｍである場合の特性（図２に示した特性）では挿入損失が大きく、狭帯域であるのに対し、誘電体基板２の厚みを０．８ｍｍにした場合には図７に示されているように、挿入損失が小さく、かつ広帯域になっていることがわかる。
【００３６】
図２及び図６の結果は、前述した共振器における無負荷Ｑ値及び負荷Ｑ値の場合の誘電体基板２の厚みの変化による結果と一致している。すなわち、金属膜５とグラウンド電極３，４との間の距離を変化させることにより、共振器の無負荷Ｑ値及び負荷Ｑ値を変化させ、バンドパスフィルタの特性を調整し得ることがわかる。
【００３７】
次に、上記金属膜５の高さ方向位置を変化させた実施形態を説明する。ここでは、グラウンド電極３と金属膜５との間の距離と、グラウンド電極４と金属膜５との間の距離を異ならせた。
【００３８】
すなわち、図１に示したバンドパスフィルタ１おいて、金属膜５の高さ方向位置を、中心から±１００μｍの範囲で変化させた。この場合の無負荷Ｑ値の変動及び外部線路との整合状態を一定とした場合の入出力電極６，７と金属膜５の間の対向距離の変化を図７及び図８に示す。なお、図７，図８の横軸は、誘電体基板内の金属膜の高さ位置を示す。
【００３９】
図７から明らかなように、金属膜５の位置が誘電体基板２の中心位置からずれた場合、無負荷Ｑ値が小さくなり、かつ同じ結合量を得ようとした場合には、入出力電極６，７と金属膜５との間の対向距離が小さくなることがわかる。従って、金属膜５の位置を変えることによっても、金属膜５とグラウンド電極３，４との間の距離を調整することにより、共振器の無負荷Ｑ値及び負荷Ｑ値を調節でき、それによって、バンドパスフィルタの特性を調整し得ることがわかる。
【００４０】
なお、本発明においては、バンドパスフィルタを構成するための前述した２つの共振モードの無負荷Ｑ値と負荷Ｑ値とを独立に調整することもできる。このような変形例を、図９及び図１０を参照して説明する。
【００４１】
図９（ａ），（ｂ）は、金属膜５において長辺方向に伝般する共振モードを及び短辺方向に伝般する共振モードが生じる場合の共振電界分布を示す図である。図９（ａ），（ｂ）において、斜線のハッチングを付して示す部分が共振電界の強い部分である。
【００４２】
図９（ａ），（ｂ）の共振電界の分布を考慮すれば、図１０（ａ），（ｂ）に略図的に示すように、グラウンド電極３とビアホール電極１１，１２により接続される内部電極１３，１４を上記共振電界の強い部分に対向するように形成すれば、図９（ａ）に示す共振電界の分布を変動させることができる。すなわち、上記内部電極１３，１４の形成により、図９（ａ）に示す共振電界の分布が影響を受け、長辺方向に伝般する共振モードについての無負荷Ｑ値及び負荷Ｑ値を調節し得ることがわかる。なお、図１０（ａ）では、金属膜５の形成されている高さ位置の平面が示されているが、より上方に位置される内部電極１３，１４の形成される位置及び形状を破線で模式的に示す。
【００４３】
すなわち、グラウンド電極３と金属膜５との間の距離を部分的に異ならせることにより、１つの共振モードについてのみ無負荷Ｑ値及び負荷Ｑ値を調節し得ることがわかる。
【００４４】
なお、上記内部電極１３，１４は長方形の形状とされているが、上記共振電界の強い部分に対向される限り、他の形状でもよい。
前述した実施形態では、トリプレート構造のデュアルモード・バンドパスフィルタにつき説明したが、本発明は、トリプレート構造を有するものに限らず、共振器と誘電体基板層を介して対向するようにグラウンド電極が形成された適宜の誘電体共振器構造を有するバンドパスフィルタの特性調整に広く適用することができる。
【００４５】
【発明の効果】
本発明に係る特性調整方法では、共振器とグラウンド電極との間の距離を変化させることにより、フィルタ特性が調整される。従って、バンドパスフィルタの挿入損失や帯域幅特性の自由度を高めることができ、従来得ることができなかったフィルタ特性を実現することができる。
【００４６】
複数の共振器が、２つの共振モードを発生させる１枚の金属膜により構成されており、２つの共振モードを結合させるための結合回路が金属膜に設けられた貫通孔により構成されている場合には、該貫通孔が設けられた金属膜の位置や、金属膜の高さ位置などを調整することにより、より一層広い範囲に渡りフィルタ特性を調整することができ、かつバンドパスフィルタの設計の自由度をより一層高めることができる。
【００４７】
共振器とグラウンド電極との間の距離を部分的に異ならせた場合には、特性の調整対称である共振モードの際に発生する共振電界を上記共振器とグラウンド電極との間の距離を調節することにより変化させることができるので、調整しようとする共振モードについて無負荷Ｑ値及び負荷Ｑ値を調節でき、例えば２つの共振モードの一方の共振モードの無負荷Ｑ値及び負荷Ｑ値のみを独立に調整することができる。従って、より一層さまざまなフィルタ特性のバンドパスフィルタを容易に提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ），（ｂ）は、本発明の１実施形態において特性が調整されるバンドパスフィルタを説明するための平面断面図及び正面断面図。
【図２】図１に示したデュアルモード・バンドパスフィルタの周波数特性を示す図。
【図３】図１に示したデュアルモード・バンドパスフィルタの共振器において生じる２つの共振モードを説明するための図。
【図４】誘電体基板の厚みを変化させた場合の無負荷Ｑ値の変化を示す図。
【図５】誘電体基板の厚みを変化させた場合の外部Ｑ値の変化を説明するための図。
【図６】図１に示したデュアルモード・バンドパスフィルタにおいて誘電体基板の厚みを０．８ｍｍと増加させた場合のフィルタ特性を示す図。
【図７】誘電体基板の厚みを０．６ｍｍとし、金属膜の高さ方向位置を変化させた場合の無負荷Ｑ値の変化を示す図。
【図８】誘電体基板の厚みを０．６ｍｍとし、金属膜の高さ方向位置を変化させ、外部回路と共振器との結合量を一定とした場合の入出力電極と金属膜との間の対向距離の変化を示す図。
【図９】（ａ），（ｂ）は、金属膜の長辺方向及び短辺方向に伝般する共振モードが生じる場合の共振電界分布を説明するための図。
【図１０】（ａ），（ｂ）は、長辺方向に伝般する共振モードの特性を調整するためにグラウンド電極と金属膜との距離が部分的に異ならされたデュアルモード・バンドパスフィルタを説明するための略図的平面断面図及び正面断面図。
【図１１】従来のデュアルモード・バンドパスフィルタの一例を示す模式的平面図。
【図１２】従来のデュアルモード・バンドパスフィルタの他の例を示す模式的平面図。
【図１３】従来のデュアルモード・バンドパスフィルタのさらに他の例を示す模式的平面図。
【符号の説明】
１…デュアルモード・バンドパスフィルタ
２…誘電体基板
２ａ…上面（第１の主面）
２ｂ…下面（第２の主面）
２ｃ，２ｄ…側面
３，４…グラウンド電極
５…金属膜（共振器）
５ａ…貫通孔
６，７…入出力電極
１１，１２…ビアホール電極
１３，１４…内部電極

Claims (3)

1. 第１，第２の主面を有する誘電体基板と、
   前記誘電体基板のある高さ位置において２つの共振モードを発生させる１枚の金属膜により形成された共振器と、
   前記共振器により生じる２つの共振モードを結合するために前記金属膜に設けられた貫通孔による結合回路と、
   前記共振器に結合された入出力回路部と、
   前記共振器と誘電体基板層を介して対向するように、誘電体基板の第１，第２の主面または誘電体基板内部に形成されたグラウンド電極とを備えるバンドパスフィルタの特性調整方法であって、
   前記共振器と前記グラウンド電極との間の距離を変化させることにより、特性を調整することを特徴とする、バンドパスフィルタの特性調整方法。
2. 前記共振器を構成する前記金属膜の一方主面側および他方主面側において、誘電体基板層を介してそれぞれグラウンド電極が形成されており、一方のグラウンド電極と共振器との間の距離を、他方のグラウンド電極と共振器との間の距離と異ならせ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の特性調整方法。
3. 前記共振器とグラウンド電極との間の距離を前記共振器の一部において異ならせることを特徴とする、請求項１または２に記載のバンドパスフィルタの特性調整方法。

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