JP4821828B2 - ストリップラインフィルタ - Google Patents

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Description

この発明は、誘電体基板にストリップラインを設けたストリップラインフィルタに関する。
ストリップライン型の共振器を誘電体基板に設けたストリップラインフィルタが様々な分野で利用されている(例えば、特許文献1参照。)。
ここで従来のストリップラインフィルタの等価回路例を説明する。図1は特許文献1を参考にした従来例のマイクロストリップラインフィルタ101の等価回路図である。
マイクロストリップラインフィルタ101は、2段の1/4波長ストリップライン共振器をコムライン結合させ、各1/4波長ストリップライン共振器を外部結合容量C01で入出力端子に外部結合させたフィルタである。ここで、各1/4波長ストリップライン共振器は、開放端側と短絡端側で線路間隔が変化するステップドインピーダンス構造を取り、開放端側での線路間隔と短絡端側での線路間隔との調整により、開放端側での相互容量と短絡端側での相互容量とを変化させ、共振器間結合をコントロールしている。
特開平7−312503号公報
従来例のストリップラインフィルタで広帯域のフィルタ特性を実現するには、開放端側の線路間隔を狭くして共振器間結合を強化する必要が有る。しかしながら、電極の形状精度には限界があり、また、線路間隔を狭くすると寸法ばらつきによる特性ばらつきが増加するため、取り得る相互容量の設定値には上限があり、共振器間結合の強化には限界があった。
そこで本発明は、線路間隔を確保したまま相互容量を増大させて共振器間結合をコントロールできるストリップラインフィルタの提供を目的とする。
この発明のストリップラインフィルタは、誘電体基板、接地電極、複数の共振線路、入出力電極を備える。誘電体基板は矩形平板状である。接地電極は誘電体基板の下面に設けられる。各共振線路は誘電体基板を介して接地電極に対向して共振器を構成する。入出力電極は、複数の共振線路のいずれかに結合する。ここで、複数の共振線路のうちの第1の共振線路は、主線路部と分岐部とを備える。主線路部は、誘電体基板の上面に設けられ、第2の共振線路に隣接する。分岐部は、主線路部から分岐し、前記誘電体基板の上面において前記主線路部との間に前記第2の共振線路を挟み第2の共振線路に隣接する。
この構成では、第1の共振線路と第2の共振線路との間の相互容量に、第1の共振線路の分岐部と第2の共振線路との間の容量を付加できる。これにより、線路間隔を狭めなくても、相互容量を増大させて共振器間結合をコントロールできる。
ストリップラインフィルタは、比誘電率が前記誘電体基板よりも小さく、誘電体基板の上面に積層される絶縁層を備えてもよい。この場合、分岐部は副線路部と接続部とを備えると好適である。副線路部は、誘電体基板の上面に設けられ、前記主線路部との間に前記第2の共振線路を挟み第2の共振線路に隣接する。接続部は、絶縁層に誘電体基板から離間して設けられ主線路部と副線路部とに接続される。
この構成では、絶縁層によって共振線路の機械的保護および耐環境性改善を実現できる。また、接続部を比誘電率が小さい絶縁層に設けることで、接続部が結合に及ぼす影響を抑えることができ、その上、副線路部の配置の自由度を高められる。
副線路部と主線路部とを、第2の共振線路の開放端に隣接させ、それぞれの開放端の方向を揃えて配置すると好適である。
この構成により、一種のステップドインピーダンス構造でコムライン結合するフィルタを構成することができ、広帯域、且つ、減衰極を設けたフィルタ特性を実現できる。
接続部は、第2の共振線路に直交する方向に延設された位置で、絶縁層を介して第2の共振線路に対向すると好適である。
この構成により、接続部と第2の共振線路との対向面積を最小にでき、接続部が結合に及ぼす影響を最小にできる。
主線路部で入出力電極との外部結合を得ると好適である。
この構成により、コムライン結合の場合は通過帯域低域側に減衰極を形成することができ、副線路部で入出力電極との結合を得る場合よりも大きな減衰量を得ることができる。
この発明によれば、分岐部と第2の共振線路との間の容量を相互容量に付加でき、線路間隔を狭めなくても、相互容量を増大させて共振器間結合をコントロールできる。そのため、共振器間の結合を強めることで広帯域なフィルタ特性の実現が可能になる。
まず、本発明の第1実施形態のストリップラインフィルタを説明する。
本実施形態のストリップラインフィルタは、UWB(Ultra Wide Band)通信のHighBand用帯域通過フィルタである。図2は、本実施形態のストリップラインフィルタ1の展開図である。
ストリップラインフィルタ1の正面には側面線路11A,11Bを備える。背面には側面線路12A,12Bを備える。左側面には側面線路13を備える。右側面には側面線路14を備える。実装面となる下面には接地電極25と入出力電極26A,26Bを備える。接地電極25と入出力電極26A,26Bとは離間して形成していて、ストリップラインフィルタ1を実装基板に実装する際には、入出力電極26A,26Bに高周波信号入出力端子が接続され、共振器のグランド面である接地電極25に実装基板の接地電極が接続される。接地電極25、入出力電極26A,26B、および、側面線路11A,11B,12A,12B,13,14は、それぞれ厚み約12μmの銀電極であり、スクリーンマスク又はメタルマスクを用いて非感光性の銀ペーストを塗布し、焼成してなる。
図3は、ストリップラインフィルタ1の上面側分解斜視図である。
ストリップラインフィルタ1は、下面から順に誘電体基板2、ガラス層3、ガラス層4を積層している。
誘電体基板2は酸化チタン等からなる比誘電率が約111の矩形平板状のセラミック焼結基板である。基板2は、上面に2段の共振器を構成する上面線路20A〜20Dを備える。上面線路20A〜20Dは厚み約4μmの銀電極であり、基板2に感光性銀ペーストを塗布し、フォトリソグラフィプロセスによりパターン形成し、焼成してなる。これらの電極を感光性銀電極とすることによって、電極の形状精度を高めてUWB通信に利用可能なストリップラインフィルタとしている。また、側面や下面の電極厚みを上面線路20A〜20Dの電極厚みより厚いものにすることで、一般に電流集中が生じる共振器の接地端側の部位での電流を分散させ、導体損を低減している。
この基板2の下面には接地電極25と入出力電極26A,26Bとを備える。基板2の正面には側面線路11A,11Bを構成する側面線路21A,21Bを備える。この側面線路21A,21Bは上面側端部で上面線路20A,20Bに接続し、下面側端部で接地電極25に接続している。背面には側面線路12A,12Bを構成する側面線路22A,22Bを備える。この側面線路22A,22Bは下面側端部で接地電極25に接続している。左側面には側面線路13を構成する側面線路23を備える。この側面線路23は下面側端部で入出力電極26Aに接続している。右側面には側面線路14を構成する側面線路24を備える。この側面線路24は下面側端部で入出力電極26Bに接続している。
ガラス層3は厚み約20μmで、誘電体基板2の上面に積層している。ガラス層3の上面には外部結合用線路30C,30Dと接続用線路30A,30Bとを備える。正面には側面線路11A,11Bを構成する側面線路31A,31Bを備える。背面には側面線路12A,12Bを構成する側面線路32A,32Bを備える。左側面には側面線路13を構成する側面線路33を備える。この側面線路33は上面側端部で外部結合用線路30Cに接続している。右側面には側面線路14を構成する側面線路34を備える。この側面線路34は上面側端部で外部結合用線路30Dに接続している。
ガラス層4は遮光性を有し、厚み約20μmでガラス層3の上面に積層している。ガラス層4の正面には側面線路11A,11Bを構成する側面線路41A,41Bを備える。背面には側面線路12A,12Bを構成する側面線路42A,42Bを備える。左側面には側面線路13を構成する側面線路43を備える。右側面には側面線路14を構成する側面線路44を備える。
ここで、基板2の上面に設けた上面線路20Aは、側面線路21Aとの接続位置から左側面と背面に沿って延設し、基板中央付近から基板正面側に折り返し、U字形状に構成している。上面線路20Bは、側面線路21Bとの接続位置から右側面と背面に沿って延設し、基板中央付近から基板正面側に折り返し、U字形状に構成している。上面線路20C,20Dは基板中央付近で基板背面側から基板正面側に延設し、I字形状に構成している。
ガラス層3の上面に設けた接続用線路30Aは直線状に延設していて、上面線路20Aの基板中央付近の端部から基板背面側に離れた位置に左側面側端部が対向し、上面線路20Cの基板背面側の端部に右側面側端部が対向する。この接続用線路30Aは、ガラス層3の層内に形成したビアホール35C,35Dを介して上面線路20A,20Cに接続している。
接続用線路30Bは湾曲する形状で延設していて、上面線路20Bの基板中央付近の端部から基板背面側に離れた位置に右側面側端部が対向し、上面線路20Dの基板背面側の端部に左側面側端部が対向する。この接続用線路30Bは、ガラス層3の層内に形成したビアホール35E,35Fを介して上面線路20B,20Dに接続している。
外部結合用線路30Cは、側面線路33との接続位置から上面線路20Aの開放端に対向する位置まで延設し、ガラス層3の層内に形成したビアホール35Aを介して上面線路20Aに接続している。
外部結合用線路30Dは、側面線路34との接続位置から上面線路20Bの開放端に対向する位置まで延設し、ガラス層3の層内に形成したビアホール35Bを介して上面線路20Bに接続している。
したがって、上面線路20Aと上面線路20Cとは、ガラス層3の上面に設けた接続用線路30Aを介して接続され、側面線路21Aとともに一体の1/4波長共振線路を構成する。また、上面線路20Bと上面線路20Dとは、ガラス層3の上面に設けた接続用線路30Bを介して接続され、側面線路21Bとともに一体の1/4波長共振線路を構成する。上面線路20A,20Cの構成する共振線路と入出力電極26Aとの外部結合が、外部結合用線路30Cを介したタップ接続により実現され、上面線路20B,20Dの構成する共振線路と入出力電極26Bとの外部結合が、外部結合用線路30Dを介したタップ接続により実現される。
この構成では、上面線路20Dの基板正面側端部、上面線路20Aの基板中央付近の端部、上面線路20Bの基板中央付近の端部、上面線路20Cの基板正面側端部を、基板正面側に向けて方向を揃えている。したがって、各共振線路はコムライン結合しストリップラインフィルタ1のフィルタ特性に減衰極を設けることができる。
また、上面線路20Dの基板正面側端部、上面線路20Aの基板中央付近の端部、上面線路20Bの基板中央付近の端部、上面線路20Cの基板正面側端部を、この順に左側面から右側面にかけて配列している。したがって、上面線路20Aの両側に、単一の共振線路を構成する上面線路20Bと上面線路20Dとが配置され、上面線路20Bの両側に、単一の共振線路を構成する上面線路20Aと上面線路20Cとが配置される。すなわち、上面線路20Aは本発明の主線路部に相当し、接続用線路30Aと上面線路20Cとは本発明の分岐部に相当し、接続用線路30Aは本発明の接続部に相当し、上面線路20Cは本発明の副線路部に相当する。また、上面線路20Bは本発明の主線路部に相当し、接続用線路30Bと上面線路20Dとは本発明の分岐部に相当し、接続用線路30Bは本発明の接続部に相当し、上面線路20Dは本発明の副線路部に相当する。これにより、このストリップラインフィルタ1はコムライン結合する2本のステップドインピーダンス構造の共振線路として機能し、かつ上面線路20A〜20Dそれぞれの線路間隔を狭めなくても、主線路部(上面線路20A,20B)の両側で開放端側の相互容量を確保できるため、大きな相互容量が得られる。したがって、oddモードの共振周波数がevenモードの共振周波数よりも低くなって各共振線路の容量性結合が強まり、このストリップラインフィルタ1のフィルタ特性を広帯域なものに設定できる。
なお、ガラス層3,4を誘電体基板2に積層することで、誘電体基板2上面の電極パターン、および、ガラス層3上面の電極パターンの機械的保護、耐環境性を確保している。これらのガラス層3,4は比誘電率が誘電体基板2よりも小さく、本発明の絶縁層を構成している。このため、接続用線路30A,30Bが上面線路20A〜20Dに対向しても、そこでは殆ど容量が生じず、上面線路20A〜20Dの線路間隔の調整のみにより開放端側の相互容量を容易に設定できる。
ここで、上面線路20C,20Dおよび接続用線路30A,30Bを設けない比較構成のストリップラインフィルタ102と、本構成のストリップラインフィルタ1とのフィルタ特性の比較を行う。
図4(A)は比較構成のストリップラインフィルタ102の上面図である。ここでは、ストリップラインフィルタ102の外部結合用線路の接続位置を調整して、フィルタ特性におけるリターンロスを、ストリップラインフィルタ1と略等しくしている。
共振線路間結合係数を算出した結果、ストリップラインフィルタ1での共振線路間結合係数が約52.4%、ストリップラインフィルタ102での共振線路間結合係数が約23.7%であり、本構成では比較構成よりも共振線路間結合係数を2倍以上にできたことが確認された。
これにより、本構成では比較構成よりもフィルタ特性を広帯域化できることがわかる。図4(B)は、比較構成のストリップラインフィルタ102と、本構成のストリップラインフィルタ1とのフィルタ特性をシミュレーションした結果を説明する図である。
シミュレーションの結果、ストリップラインフィルタ1での通過帯域が約6〜10.5GHz、ストリップラインフィルタ102での通過帯域が約8.7〜10.5GHzであり、本構成では比較構成よりもフィルタ特性を広帯域化できたことが確認された。
なお、側面線路12A,12Bは、上面線路20A〜20Dから離間して形成して、フィルタ特性に対して影響を殆ど与えないようにして、電気的には必須の構成ではない。しかしながら、ここでは側面線路12A,12Bによる背面電極パターンを、側面線路11A,11Bによる正面電極パターンに対して合同、且つ点対称に形成して、製造プロセスの簡易化を図っている。具体的には、正面と背面の電極パターン形成時に、正面と背面の配置区別や上下面の配置区別を行うことなくパターン形成を行えるようにし、且つ、同じメタルマスクやスクリーンマスクを用いることができるようにしている。また、側面線路13による左側面電極パターンと側面線路14による右側面電極パターンとについても、合同、且つ点対称に形成して、製造プロセスの簡易化を図っている。
なお、本実施形態では、接続用線路30Aと上面線路20Bとの対向面積を最小にしながら、上面線路20A,20Cの線路長のバランスを取り、上面線路20B,20Dの線路長のバランスは取っていない。しかしながら、線路の対向面積を最小にするよりも線路長のバランスを取った方がフィルタ特性に望ましいこともあるので、その場合には、各共振線路で線路長のバランスを取るようにするとよい。
次に、本発明の第2実施形態のストリップラインフィルタを説明する。
図5は、本実施形態のストリップラインフィルタ50の上面図である。ストリップラインフィルタ50は、基板上面およびガラス層上面の電極パターンが、第1の実施形態と相違する。ここで、第1の実施形態と略同一の構成には同一の符号を付し、その説明を省く。
基板2上面には、2段の共振器を構成する上面線路52A〜52Dを備える。上面線路52Aは、側面線路11Aとの接続位置から基板正面中央に向けて延設し、基板中央付近から基板背面側に折れ、L字形状に構成している。上面線路52Bは、側面線路11Bとの接続位置から基板正面中央に向けて延設し、基板中央付近から基板背面側に折れ、L字形状に構成している。上面線路52Cは上面線路52Bよりも基板右側面側で基板正面側から基板背面側に延設し、I字形状に構成している。上面線路52Dは上面線路52Aよりも基板左側面側で基板正面側から基板背面側に延設し、I字形状に構成している。
ガラス層3上面には外部結合用線路53A,53Bと接続用線路54A,54Bとを備える。接続用線路54Aは直線状に延設していて、上面線路52Aの基板中央付近の位置に左側面側端部が対向し、上面線路52Cの基板正面側の端部に右側面側端部が対向する。この接続用線路54Aは、ガラス層3の層内に形成したビアホールを介して上面線路52A,52Cに接続している。接続用線路54Bは屈曲する形状で延設していて、上面線路52Bの基板中央付近の位置に右側面側端部が対向し、上面線路52Dの基板正面側の端部に左側面側端部が対向する。この接続用線路54Bは、ガラス層3の層内に形成したビアホールを介して上面線路52B,52Dに接続している。
外部結合用線路53Aは、側面線路13への接続位置から上面線路52Aの開放端に対向する位置まで延設し、ガラス層3の層内に形成したビアホールを介して上面線路52Aに接続している。外部結合用線路53Bは、側面線路14への接続位置から上面線路52Bの開放端に対向する位置まで延設し、ガラス層3の層内に形成したビアホールを介して上面線路52Bに接続している。
したがって、上面線路52Aと上面線路52Cとは、接続用線路54Aを介して接続され、一体の1/4波長共振線路を構成する。また、上面線路52Bと上面線路52Dとは、接続用線路54Bを介して接続され、一体の1/4波長共振線路を構成する。
ここで、上面線路52Aと接続用線路54Bとは、ガラス層3を介して対向するが、上面線路52Aの延設方向と接続用線路54Bの延設方向とが直交するため、その対向面積は最小になっている。これにより、上面線路52Aと接続用線路54Bとの間に生じる容量は極めて小さくなり、上面線路20A〜20Dの線路間隔の調整のみにより開放端側の相互容量を容易に設定できる。このことは、上面線路52Bと接続用線路54Aとの間でも同様である。
次に、本発明の第3実施形態のストリップラインフィルタを説明する。
図5は、本実施形態のストリップラインフィルタ60の上面図である。ストリップラインフィルタ60は、基板上面およびガラス層上面の電極パターンが、第1・第2の実施形態と相違し、共振線路がインターディジタル結合する。ここで、第1の実施形態と略同一の構成には同一の符号を付し、その説明を省く。
基板2上面には、2段の共振器を構成する上面線路62A〜62Dを備える。上面線路62Aは、側面線路11Aとの接続位置から基板正面中央に向けて延設し、基板中央付近から基板背面側に折れ、L字形状に構成している。上面線路62Bは、側面線路12Bとの接続位置から基板背面中央に向けて延設し、基板中央付近から基板正面側に折れ、L字形状に構成している。上面線路62Cは上面線路62Bよりも基板右側面側で基板正面側から基板背面側に延設し、I字形状に構成している。上面線路62Dは上面線路62Aよりも基板左側面側で基板背面側から基板正面側に延設し、I字形状に構成している。
ガラス層3上面には外部結合用線路63A,63Bと接続用線路64A,64Bとを備える。接続用線路64Aは直線状に延設していて、上面線路62Aの基板中央付近の位置に左側面側端部が対向し、上面線路62Cの基板正面側の端部に右側面側端部が対向する。この接続用線路64Aは、ガラス層3の層内に形成したビアホールを介して上面線路62A,62Cに接続している。接続用線路64Bは直線状に延設していて、上面線路62Bの基板中央付近の位置に右側面側端部が対向し、上面線路62Dの基板背面側の端部に左側面側端部が対向する。この接続用線路64Bは、ガラス層3の層内に形成したビアホールを介して上面線路62B,62Dに接続している。
外部結合用線路63Aは、側面線路13への接続位置から上面線路62Aの開放端に対向する位置まで延設し、ガラス層3の層内に形成したビアホールを介して上面線路62Aに接続している。外部結合用線路63Bは、側面線路14への接続位置から上面線路62Bの開放端に対向する位置まで延設し、ガラス層3の層内に形成したビアホールを介して上面線路62Bに接続している。
したがって、上面線路62Aと上面線路62Cとは、接続用線路64Aを介して接続され、一体の1/4波長共振線路を構成する。また、上面線路62Bと上面線路62Dとは、接続用線路64Bを介して接続され、一体の1/4波長共振線路を構成する。
この構成では、上面線路62A,62Cの開放端と、上面線路62B,62Dの開放端とが互いに逆方向を向き、各共振線路はインターディジタル結合し、コムライン結合よりも強い共振器間結合を実現できる。この場合にも、線路間隔を確保したまま相互容量を増大させて共振器間結合をコントロールできる。
上述した各実施形態では、分岐部に絶縁層を経由させる構成を示したが、本発明は誘電体基板の上面内で分岐部を回り込ませるような構成や、誘電体基板の内部で分岐部を回り込ませるような構成でも好適に実施することができる。
また、上述した各実施形態での上面線路や接続用線路の配置位置や形状は製品仕様に応じたものであり、製品仕様に応じたどのような配置位置や形状であっても良い。本発明は上記構成以外であっても適用でき、多様なフィルタのパターン形状に採用できる。また、このフィルタに、他の構成(高周波回路)をさらに配しても良い。
従来例のストリップラインフィルタの等価回路図である。 第1の実施形態に係るストリップラインフィルタの展開図である。 図2に示すストリップラインフィルタの上面側分解斜視図である。 従来構成と本構成とでフィルタ特性を比較する図である。 第2の実施形態に係るストリップラインフィルタの上面図である。 第3の実施形態に係るストリップラインフィルタの上面図である。
符号の説明
1…ストリップラインフィルタ
2…誘電体基板
3,4…ガラス層
11A,11B,12A,12B,13,14…側面線路
20A〜20D…上面線路
25…接地電極
26A,26B…入出力電極
30A,30B…接続用線路
30C,30D…外部結合用線路
35A〜35F…ビアホール

Claims (5)

  1. 矩形平板状の誘電体基板と、前記誘電体基板の下面に設けられた接地電極と、前記誘電体基板を介して前記接地電極に対向して共振器を構成する複数の共振線路と、前記複数の共振線路のいずれかに結合する入出力電極と、を備えるストリップラインフィルタであって、
    前記複数の共振線路のうちの第1の共振線路は、
    前記誘電体基板の上面に設けられ、第2の共振線路に隣接する主線路部と、
    前記主線路部から分岐し、前記誘電体基板の上面において前記主線路部との間に前記第2の共振線路を挟み前記第2の共振線路に隣接する分岐部と、を備える、ストリップラインフィルタ。
  2. 比誘電率が前記誘電体基板よりも小さく、前記誘電体基板の上面に積層される絶縁層を備え、
    前記分岐部は、
    前記誘電体基板の上面に設けられ、前記主線路部との間に前記第2の共振線路を挟み前記第2の共振線路に隣接する副線路部と、前記絶縁層に前記誘電体基板から離間して設けられ前記主線路部と前記副線路部とに接続される接続部と、を備える、
    請求項1に記載のストリップラインフィルタ。
  3. 前記副線路部と前記主線路部とを、前記第2の共振線路の開放端に隣接させ、それぞれの開放端の方向を揃えて配置した、請求項2に記載のストリップラインフィルタ。
  4. 前記接続部は、前記第2の共振線路に直交する方向に延設された位置で、前記絶縁層を介して前記第2の共振線路に対向する、請求項2または3に記載のストリップラインフィルタ。
  5. 前記主線路部で前記入出力電極との外部結合を得る、請求項1〜4のいずれかに記載のストリップラインフィルタ。
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