JP5721497B2

JP5721497B2 - 誘電体フィルタならびにそれを用いた無線通信モジュールおよび無線通信装置

Info

Publication number: JP5721497B2
Application number: JP2011068182A
Authority: JP
Inventors: 吉川　博道; 博道吉川
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2011-03-25
Filing date: 2011-03-25
Publication date: 2015-05-20
Anticipated expiration: 2031-03-25
Also published as: JP2012205103A

Description

本発明は、小型化が可能な誘電体フィルタならびにそれを用いた無線通信モジュールおよび無線通信装置に関するものである。

キャビティ内に複数の誘電体ブロックを配置して複数の共振器を形成し、それら複数の共振器を相互に電磁気的に結合させて構成した誘電体フィルタが知られている（例えば、特許文献１を参照。）。

特開平３−９８５０３号公報

しかしながら、特許文献１にて提案されたような従来の誘電体フィルタは、複数の誘電体ブロックをキャビティ内に配置する必要があるため、小型化が困難であるという問題があった。

本発明はこのような従来の技術における問題点に鑑みて案出されたものであり、その目的は、小型化が可能な誘電体フィルタならびにそれを用いた無線通信モジュールおよび無線通信装置を提供することにある。

本発明の第１の誘電体フィルタは、互いに直交する２つの方向を第１方向および第２方向とし、前記第１方向と反対の方向を第３方向とすると、前記第２方向に長い形状を有しており、前記第１方向側の表面における前記第２方向の中央部に凹部を備える誘電体ブロックと、前記誘電体ブロックの前記第１方向側の表面における前記凹部以外の部分と、前記誘電体ブロックの前記第３方向側の表面と、に接するように前記誘電体ブロックを取り囲んでキャビティを形成する遮蔽導体とを備え、前記誘電体ブロックの内部における電界の向きが全て同じである１次共振モードと、前記誘電体ブロックの前記長さ方向における一方側と他方側とで電界の向きが逆向きである２次共振モードとを利用して通過帯域を形成することを特徴とするものである。

本発明の第２の誘電体フィルタは、前記第１の誘電体フィルタにおいて、前記誘電体ブロック内の電界が、前記第１方向に平行であり、前記遮蔽導体が、前記誘電体ブロックの前記第１方向に平行な面である側面と間隔を開けて前記誘電体ブロックを取り囲んでいることを特徴とするものである。

本発明の第３の誘電体フィルタは、前記第２の誘電体フィルタにおいて、前記誘電体ブロックの前記側面と間隔を開けて、少なくとも前記誘電体ブロックの前記側面を取り囲むとともに、前記誘電体ブロックと一体的に形成された誘電体容器を備え、該誘電体容器の外面に配置された導体によって前記遮蔽導体の一部が構成されていることを特徴とするものである。

本発明の第４の誘電体フィルタは、前記第１の誘電体フィルタにおいて、前記誘電体ブロック内の電界が、前記第１方向に平行であり、前記凹部が前記誘電体ブロックを前記第２方向および前記第１方向に対して垂直な第４方向に貫通していることを特徴とするものである。

本発明の無線通信モジュールは、前記第１乃至第４のいずれかの誘電体フィルタを含むＲＦ部と、該ＲＦ部に接続されたベースバンド部とを備えることを特徴とするものである。

本発明の無線通信装置は、前記無線通信モジュールと、前記ＲＦ部に接続されたアンテナとを備えることを特徴とするものである。

本発明の誘電体フィルタによれば、小型化が可能な誘電体フィルタを得ることができる。

本発明の実施の形態の第１の例の誘電体フィルタを模式的に示す斜視図である。図１に示す誘電体フィルタの下面図である。図１に示す誘電体フィルタの縦断面図である。本発明の実施の形態の第２の例の誘電体フィルタを模式的に示す分解斜視図である。図４に示す誘電体フィルタの縦断面図である。本発明の実施の形態の第３の例の誘電体フィルタを模式的に示す分解斜視図である。図６に示す誘電体フィルタの下面図である。図６に示す誘電体フィルタの上面図である。本発明の実施の形態の第４の例の無線通信装置を模式的に示すブロック図である。本発明の実施の形態の第３の例の誘電体フィルタの電気特性のシミュレーション結果を示すグラフである。

以下、本発明の誘電体フィルタを添付の図面を参照しつつ詳細に説明する。

（実施の形態の第１の例）
図１は、本発明の実施の形態の第１の例の誘電体フィルタを模式的に示す斜視図である。図２は、図１に示す誘電体フィルタの下面図である。図３は、図１に示す誘電体フィルタの縦断面図である。なお、図１においては、構造をわかりやすくするために、遮蔽導体２０を透視した状態を示している。

本例の誘電体フィルタは、図１〜図３に示すように、誘電体ブロック１０と、遮蔽導体２０とを備えている。

誘電体ブロック１０は、誘電体で形成されており、長さ方向、幅方向、高さ方向を有するとともに、上面における長さ方向の中央部に凹部１１を備えている。また、凹部１１は、誘電体ブロック１０を幅方向に貫通しており、誘電体ブロック１０の長さ方向における両端は、凹部１１に対して高さが高い凸部１２，１３となっている。すなわち、誘電体ブロック１０は、直方体の長さ方向の中央部における上面に、幅方向に貫通する凹部が設けられた、略Ｕ字型の形状を有している。

遮蔽導体２０は、直方体の箱状の導体であり、誘電体ブロック１０の上下面に接するように、誘電体ブロック１０を取り囲んでキャビティを形成している。また、遮蔽導体２０は、誘電体ブロック１０の側面と間隔を開けて配置されており、遮蔽導体２０が形成する
キャビティの中央に誘電体ブロック１０が配置されている。そして、遮蔽導体２０は、基準電位（グランド電位）に接続される。

また、遮蔽導体２０における、誘電体ブロック１０の凸部１２，１３の下側に位置する部分には、それぞれ開口が形成されている。そして、開口の内部に位置する誘電体ブロック１０の下面には、遮蔽導体２０と間隔を開けて、端子電極３１，３２が配置されている。すなわち、凸部１２の下側に位置する開口には端子電極３１が配置されており、凸部１３の下側に位置する開口には端子電極３２が配置されている。

このような構成を備える本例の誘電体フィルタは、例えば、端子電極３１から電気信号が入力されると、電界の向きが誘電体ブロックの高さ方向（図のｚ軸方向）であり、誘電体ブロック１０の内部における電界の向きが全て同じであり、キャビティ内の誘電体ブロック１０の長さ方向（図のｘ軸方向）に定在波が１つ存在するような共振（キャビティ内に半波長分の波が存在する共振）が生じ、それが１次共振モードとなる。また、電界の向きが誘電体ブロックの高さ方向（図のｚ軸方向）であり、誘電体ブロック１０の長さ方向における一方側と他方側とで電界の向きが逆向きになって、キャビティ内の誘電体ブロック１０の長さ方向（図のｘ軸方向）に定在波が２つ存在するような共振（キャビティ内に１波長分の波が存在する共振）が生じ、それが２次共振モードとなる。なお、誘電体ブロック１０内の誘電率が、キャビティ内の他の領域の誘電率に比べて高いため、電界の殆どは誘電体ブロック１０がある領域に集中して存在する。

キャビティ内が一様の場合には、２次共振モードの周波数は１次共振モードの周波数の２倍になるが、本例の誘電体フィルタは、キャビティ内に誘電体ブロック１０が配置されており、誘電体ブロック１０の長さ方向の中央に凹部１１が形成されている。そして、凹部１１内は空気で満たされているため、凹部１１内の誘電率は、その他の誘電体ブロック１０の誘電率よりも低くなる。

１次共振モードでは、誘電体ブロック１０の長さ方向（図のｘ軸方向）の中央部で電界がもっとも強く、そこから誘電体ブロック１０の長さ方向の両側に向かうにしたがって電界が弱くなるような電界の分布となる。このため、１次共振モードの共振周波数は、誘電体ブロック１０の長さ方向の中央部に凹部１１が形成されて、その部分の誘電率が低くなることの影響を大きく受けて、高周波側に大きくシフトする。

これに対して、２次共振モードは、誘電体ブロック１０の長さ方向におけるキャビティの両端部に加えて、誘電体ブロック１０の長さ方向における中央部でも、電界の大きさがほぼ０になる。このため、２次共振モードの共振周波数は、誘電体ブロック１０の長さ方向の中央部に凹部１１が形成されて、その部分の誘電率が低くなることの影響をあまり受けず、高周波側へのシフト量は非常に小さくなる。

このようにして、本例の誘電体フィルタは、１次共振モードの共振周波数を高周波側にシフトさせて、２次共振モードの共振周波数に近づけることができるので、１次共振モードと次共振モードとを利用して通過帯域を形成することができる。すなわち、本例の誘電体フィルタは、誘電体ブロック１０の内部における電界の向きが全て同じである１次共振モードと、誘電体ブロック１０の長さ方向における一方側と他方側とで電界の向きが逆向きである２次共振モードとを利用して通過帯域を形成する。

よって、本例の誘電体フィルタは、端子電極３１から電気信号が入力されると、１次共振モードの共振周波数および２次共振モードの共振周波数を含んだ周波数帯域の電気信号が選択的に端子電極３２から出力されて、バンドパスフィルタとして機能する。なお、１次共振モードの共振周波数と２次共振モードの共振周波数との間隔は、誘電体ブロック１
０の比誘電率や、凹部１１の大きさや、キャビティの形状等によって適宜調整することができる。

また、本例の誘電体フィルタによれば、１つの誘電体ブロック１０およびそれを取り囲む遮蔽導体２０によってフィルタを構成できるので、小型化が可能な誘電体フィルタを得ることができる。

さらに、本例の誘電体フィルタによれば、遮蔽導体２０が誘電体ブロック１０の側面と間隔を開けて誘電体ブロック１０を取り囲んでいることから、共振のＱ値を高くすることができるとともに、高次モード共振を通過帯域から高周波側へ遠ざけることができる。

（実施の形態の第２の例）
図４は、本発明の実施の形態の第２の例の誘電体フィルタを模式的に示す分解斜視図である。図５は、図４に示す誘電体フィルタの模式的な縦断面図である。なお、本例においては、上述した実施の形態の例と異なる部分について説明し、同一の構成要素には同一の符号を付して重複する説明を省略する。

本例の誘電体フィルタは、図４，図５に示すように、誘電体ブロック１０と、誘電体容器４０と、遮蔽導体２０とを備えている。誘電体容器４０は、上面が開口した直方体の箱状であり、底面に形成された孔に誘電体ブロック１０がはめ込まれて誘電体ブロック１０と一体化している。また、誘電体容器４０は、誘電体ブロック１０と同じ誘電体材料を用いて、誘電体ブロック１０と一体的に形成されている。すなわち、誘電体容器４０は、誘電体ブロック１０の側面と間隔を開けて誘電体ブロック１０の側面を取り囲むとともに、誘電体ブロック１０と一体的に形成されている。

そして、遮蔽導体２０は、誘電体ブロック１０の下面および誘電体容器４０の外面に配置された導体２１と、誘電体容器４０および誘電体ブロック１０の上面に配置されて導体２１に接続される導体板２２とによって構成されている。すなわち、誘電体容器４０の外面に配置された導体によって遮蔽導体２０の一部が構成されている。よって、誘電体ブロック１０の下面と遮蔽導体２０との間に誘電体容器４０の一部が介在している構成となっている。

このような構成を備える本例の誘電体フィルタによれば、誘電体ブロック１０と誘電体容器４０とを同一の誘電体によって一体成形することができるとともに、誘電体容器４０の外面に形成した導体２１と、導体板２２とによって遮蔽導体２０を構成することができるので、製造が容易な誘電体フィルタを得ることができる。

（実施の形態の第３の例）
図６は、本発明の実施の形態の第３の例の誘電体フィルタを模式的に示す分解斜視図である。図７は、図６に示す誘電体フィルタの模式的な下面図である。図８は、図６に示す誘電体フィルタの上面図である。なお、図８においては、構造をわかりやすくするために、導体板２２の図示を省略している。また、本例においては、前述した実施の形態の第２の例と異なる部分について説明し、同一の構成要素には同一の符号を付して重複する説明を省略する。

本例の誘電体フィルタは、前述した実施の形態の第２の例の誘電体フィルタが２つ、それぞれの長さ方向が平行になるように横並びに近接して配置されて、それぞれの誘電体ブロック１０の凸部１３同士が対向する位置の誘電体容器４０同士が、接続部５０を介して接続されて構成されている。そして、接続部５０に形成された結合用窓５１を介して、それぞれの誘電体ブロック１０の凸部１３同士が電磁気的に結合されて、４段のバンドパス
フィルタが構成されている。なお、一方の誘電体ブロック１０の凸部１２の下側に端子電極３１が形成されており、他方の誘電体ブロック１０の凸部１２の下側に端子電極３２が形成されている。

このような構成を備える本例の誘電体フィルタによれば、小型化が可能な４段のバンドパスフィルタを得ることができる。また、本例のバンドパスフィルタによれば、前述した実施の形態の第２の例の誘電体フィルタと同様に、誘電体ブロック１０と誘電体容器４０とを、同一の誘電体材料を用いて金型で一体成形することができるとともに、誘電体ブロック１０の下面および誘電体容器４０の外面に形成した導体２１と、導体板２２とによって遮蔽導体２０を構成することができるので、製造が容易な誘電体フィルタを得ることができる。本例および前述した実施の形態の第１，第２の例の誘電体フィルタにおいて、誘電体ブロック１０の材質としては、エポキシ樹脂等の樹脂や例えば誘電体セラミックス等のセラミックスを用いることができる。例えば、ＢａＴｉＯ_３，Ｐｂ_４Ｆｅ_２Ｎｂ_２Ｏ_１２，ＴｉＯ_２等を含有する誘電体セラミック材料が好適に用いられる。遮蔽導体２０および端子電極３１，３２の材質としては、例えば、Ａｇ，Ａｇ−Ｐｄ，Ａｇ−Ｐｔ等のＡｇ合金を主成分とする導電材料やＣｕ系，Ｗ系，Ｍｏ系，Ｐｄ系導電材料等が好適に用いられる。

（実施の形態の第４の例）
図９は本発明の実施の形態の第４の例の無線通信装置８０を模式的に示すブロック図である。本例の無線通信装置８０は、図９に示すように、無線通信モジュール８１と、無線通信モジュール８１に接続されたアンテナ８２とを備えている。無線通信モジュール８１は、アンテナ８２に接続されたＲＦ部８３と、ＲＦ部８３に接続されたベースバンド部８４とを備えている。

ベースバンド部８４は、ベースバンドＩＣ８７を備えており、ベースバンド信号を処理する機能を有している。ＲＦ部８３は、ベースバンド部８４に接続されたＲＦＩＣ８６と、ＲＦＩＣ８６およびアンテナ８２に接続された本発明の誘電体フィルタ８５とを備えており、ベースバンド信号の変調後および復調前のＲＦ信号を処理する機能を有している。また、ベースバンド信号が変調されてなるＲＦ信号または受信したＲＦ信号における通信帯域以外の信号を誘電体フィルタ８５によって減衰させている。

このような構成を有する本例の無線通信モジュール８１および無線通信装置８０によれば、小型化が可能な本発明の誘電体フィルタ８５を用いて通信信号の濾波を行うことから、小型化が可能な無線通信モジュール８１および無線通信装置８０を得ることができる。

（変形例）
本発明は上述した実施の形態の例に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々の変更，改良が可能である。

上述した実施の形態の第１〜第３の例においては、誘電体ブロック１０の上面に、幅方向に貫通した凹部１１が形成された例を示したが、これに限定されるものではない。例えば、誘電体ブロック１０の上面に、幅方向に貫通しない凹部１１が形成されるようにしても構わない。

また、上述した実施の形態の第１〜第３の例においては、誘電体ブロック１０の上面に凹部１１が形成された例を示したが、これに限定されるものではない。例えば、誘電体ブロック１０の側面に凹部１１が形成されるようにしても構わない。

さらに、上述した実施の形態の第１〜第３の例においては、直方体状の誘電体ブロック
１０に直方体状の凹部１１が形成された例を示したが、これに限定されるものではない。例えば、角が丸められて楕円形に近い形状の誘電体ブロック１０であっても良いし、球形に近い形状の凹部１１であっても構わない。

またさらに、遮蔽導体２０で形成されたキャビティ内における、誘電体ブロック１０以外の部分は、空気が存在しても、真空であってもよく、さらには、誘電体ブロック１０よりも比誘電率が小さいものが充填されていても構わない。

次に、本発明の誘電体フィルタの具体例について説明する。図６〜図８に示した本発明の実施の形態の第３の例の誘電体フィルタの電気特性を、有限要素法を用いたシミュレーションによって算出した。シミュレーションにおいては、誘電体ブロック１０の比誘電率は７０とした。それぞれの誘電体ブロック１０は、長さが３９ｍｍであり、幅が７ｍｍであり、高さが１６ｍｍである直方体の上面の長さ方向の中央部に、長さが２３．７ｍｍであり、深さが１４ｍｍであり、誘電体ブロック１０の幅方向に貫通する凹部１１が形成された形状とした。遮蔽導体２０で囲まれたキャビティにおける、接続部５０で接続された２つの領域は、それぞれ、長さが４９ｍｍで、幅が１８ｍｍで、高さが１６ｍｍの直方体状とした。誘電体容器４０の厚みは２ｍｍとした。

このシミュレーション結果を図１０のグラフに示す。グラフにおいて、横軸は周波数であり、縦軸は減衰量である。また、実線が通過特性を示し、破線が反射特性を示している。このグラフによれば、良好な通過特性を有する４段のバンドパスフィルタが得られていることがわかる。これにより本発明の効果が確認できた。

１０：誘電体ブロック
１１：凹部
２０：遮蔽導体
４０：誘電体容器
８０：無線通信装置
８１：無線通信モジュール
８２：アンテナ
８３：ＲＦ部
８４：ベースバンド部
８５：誘電体フィルタ

Claims

互いに直交する２つの方向を第１方向および第２方向とし、前記第１方向と反対の方向を第３方向とすると、
前記第２方向に長い形状を有しており、前記第１方向側の表面における前記第２方向の中央部に凹部を備える誘電体ブロックと、
前記誘電体ブロックの前記第１方向側の表面における前記凹部以外の部分と、前記誘電体ブロックの前記第３方向側の表面と、に接するように前記誘電体ブロックを取り囲んでキャビティを形成する遮蔽導体とを備え、
前記誘電体ブロックの内部における電界の向きが全て同じである１次共振モードと、
前記誘電体ブロックの前記長さ方向における一方側と他方側とで電界の向きが逆向きである２次共振モードとを利用して通過帯域を形成することを特徴とする誘電体フィルタ。
前記誘電体ブロック内の電界が、前記第１方向に平行であり、前記遮蔽導体が、前記誘電体ブロックの前記第１方向に平行な面である側面と間隔を開けて前記誘電体ブロックを取り囲んでいることを特徴とする請求項１に記載の誘電体フィルタ。
前記誘電体ブロックの前記側面と間隔を開けて、少なくとも前記誘電体ブロックの前記側面を取り囲むとともに、前記誘電体ブロックと一体的に形成された誘電体容器を備え、該誘電体容器の外面に配置された導体によって前記遮蔽導体の一部が構成されていることを特徴とする請求項２に記載の誘電体フィルタ。
前記誘電体ブロック内の電界が、前記第１方向に平行であり、前記凹部が前記誘電体ブロックを前記第２方向および前記第１方向に対して垂直な第４方向に貫通していることを特徴とする請求項１に記載の誘電体フィルタ。
請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の誘電体フィルタを含むＲＦ部と、該ＲＦ部に接続されたベースバンド部とを備えることを特徴とする無線通信モジュール。
請求項５に記載の無線通信モジュールと、前記ＲＦ部に接続されたアンテナとを備えることを特徴とする無線通信装置。