JP3582350B2 - 誘電体フィルタ、送受共用器および通信機 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、マイクロ波帯やミリ波帯で用いられる誘電体フィルタと、それを用いた送受共用器および通信機に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、大容量でかつ高速な通信システムの要求に伴ってマイクロ波帯からミリ波帯へ使用周波数帯域が拡大されようとしている。特に準ミリ波帯は無線ＬＡＮ、携帯ＴＶ電話、次世代衛星放送など様々なシステムでの利用が検討されている。それに伴い、フィルタも小型、安価で平面回路実装性に優れたものが要求されている。そこで本願の発明者らは１９９６年電子情報通信学会総合大会Ｃ−１２１「平面回路型誘電体共振器を用いた準ミリ波バンドパスフィルタ」を提案した。
【０００３】
ここで、その誘電体フィルタの構造を分解斜視図として図８に示す。同図において３は誘電体板であり、その両主面に所定寸法の円形の電極非形成部を対向させて電極を形成している。図中の１は誘電体板３の図における上面の電極であり、４ａ，４ｂはその電極非形成部を示している。６は基板、７は枠体であり、共にεｒ＝７．３のセラミックスから成り、基板６の下面とその上面の枠体７からはみ出る部分および枠体７の周囲に電極を形成して下部ケースを構成している。８はカバーであり、εｒ＝７．３のセラミックスから成り、電極１に接する面および周面に電極を形成している。基板６の上面には入出力端子としてのマイクロストリップ線路を形成している。９はその一方のマイクロストリップ線路である。そして、これらのマイクロストリップ線路にプローブ１９，２０を接続している。
【０００４】
このような構成によって、電極非形成部で挟まれる誘電体板３の一部がＴＥ０１０モードの誘電体共振器として作用し、この隣接する共振器間が電磁界結合するとともに、それぞれの共振器がプローブ１９，２０と電磁界結合する。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
このような従来の誘電体フィルタの構造では、基板６の両主面に電極を形成した領域が導波路を構成するため、この導波路とマイクロストリップ線路とが結合して、いわゆるパラレルプレートモードによって基板６内部を信号が伝搬することになる。そのためフィルタの減衰特性およびスプリアス特性が劣化するおそれがあった。
【０００６】
そのため、図８にも示しているように、マイクロストリップ線路９の近傍に、基板６の両主面の電極間を導通させるスルーホール１３を形成して、基板６の両主面の電極により構成される導波路とマイクロストリップ線路との結合を絶つようにしているが、所定の要求特性を満足するには不十分となる場合があった。また、セラミックス基板に高精度な孔を開けることは容易ではないため、マイクロストリップ線路を設ける基板の材料としてセラミックスを用いる場合には製造コストも嵩む。しかも基板６の比誘電率が高い場合には、管内波長が短くなるので、複数のスルーホールを配列形成する場合に、そのピッチを短くして多数のスルーホールを設ける必要が生じる。更に、上記基板がセラミックスであれば、その厚みは０．２〜０．５ｍｍと薄いため、ハンドリングが悪いという問題があった。
【０００７】
この発明の目的は上述の各種問題を解消した誘電体フィルタと、それを用いた送受共用器および通信機を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
この発明は、電極非形成部を対向させて誘電体板の両主面に電極を形成して、前記対向する電極非形成部で挟設される領域を共振領域とし、該共振領域に結合する結合部材を設け、前記共振領域および前記結合部材の周囲に空間を形成するキャビティを設けて成る誘電体フィルタにおいて、基板の両主面に電極を形成して成る導波路における信号の伝搬を確実に阻止するために、請求項１に記載のとおり、前記キャビティの一部を、誘電体板または絶縁体板の両主面に電極を形成した基板で構成するとともに、該基板の、前記誘電体板の電極に導通する箇所に沿って、前記基板の両主面の電極間を導通させる複数の導体路を形成する。
【０００９】
これにより、誘電体板に構成される共振領域およびその共振領域に結合する結合部材周囲の共振領域としての空間が制限され、この空間と、基板の両主面の電極による導波路とは遮断され、その導波路への信号の伝搬がなくなる。その結果フィルタの減衰特性およびスプリアス特性が改善される。
【００１０】
前記基板に結合部材としてのマイクロストリップ線路を設ける場合、請求項２に記載のとおり、マイクロストリップ線路幅の２〜３倍だけ離れた当該マイクロストリップ線路の両側に前記基板の両主面の電極間を導通させる複数の導体路を設ける。これにより基板の両主面の電極による導波路とマイクロストリップ線路との結合を十分に抑えることができる。
【００１１】
また、前記導体路の配列ピッチを、請求項３に記載のとおり、誘電体フィルタの中心周波数における管内波長の１／４以下にする。これにより、配列されている導体路が、基板内を伝搬する信号に対して導体壁として作用し、シールド効果が高まる。
【００１２】
またこの発明では、上記誘電体フィルタを送信フィルタと受信フィルタのいずれか一方または両方に用い、送信フィルタを送信信号入力ポートと入出力ポートとの間に設け、受信フィルタを受信信号出力ポートと入出力ポートとの間に設けて送受共用器を構成する。
【００１３】
本願発明によれば、減衰特性およびスプリアス特性が改善された誘電体フィルタを用いて、分岐特性に優れた送受共用器を得ることができる。
【００１４】
さらに、この発明では上記送受共用器の送信信号入力ポートに送信回路を接続し、送受共用器の受信信号出力ポートに受信回路を接続し、送受共用器の入出力ポートにアンテナを接続して通信機を構成する。
【００１５】
【発明の実施の形態】
この発明の第１の実施形態に係る誘電体フィルタの構成を図１〜図４を参照して説明する。
【００１６】
図１は誘電体フィルタの分解斜視図である。同図において３は厚さ１．０ｍｍ、εｒ＝３０の誘電体板であり、その図における上面に４ａ，４ｂ，４ｃで示す電極非形成部を有する電極１を形成している。誘電体板３の下面には電極非形成部４ａ，４ｂ，４ｃにそれぞれ対向する同一形状の電極非形成部を有する電極を形成している。これにより、対向した電極非形成部をＴＥ０１０モードの誘電体共振器として構成している。図中の６は厚さ０．３ｍｍ、εｒ＝３．５のＢＴレジンから成る基板であり、その下面の略全面に電極を形成するとともに、上面の一部に電極１１を形成している。またこの基板６の上面には一部をプローブ（結合部材）とするマイクロストリップ線路９，１０を形成している。この基板６の図における上面には金属から成る枠体７を基板６の上面の電極１１に接合している。また図中の８は金属から成るカバーであり、このカバーの周縁部が誘電体板３の周縁部で上面の電極１に接合する。
【００１７】
図２は図１に示した基板６の平面図である。図２において、マイクロストリップ線路９，１０の線路幅は０．６２ｍｍであり、その特性インピーダンスを５０Ωとしている。またマイクロストリップ線路９，１０の根元部には線路幅０．６２ｍｍの２倍の間隔を隔てて、その両側に電極１１を配置している。そして、電極１１の内側の端縁部、すなわち図１に示した枠体７を接合する箇所と、マイクロストリップ線路９，１０の根元部の両側に、誘電体板の下面側の電極と上面側の電極１１とを導通させる複数のスルーホール１３を所定のピッチで配列している。これらのスルーホール１３の経は０．３ｍｍであり、その配列ピッチは１ｍｍである。ここではフィルタの中心周波数は２０ＧＨｚであり、管内波長λｇ≒８ｍｍであるため、上記配列ピッチはλｇ／４より十分小さな値である。このように、枠体７に接する箇所およびマイクロストリップ線路の根元部の両側に複数のスルーホール１３を配列したことにより、基板６の両主面に形成した電極の対向する領域により構成される導波路とマイクロストリップ線路９，１０とは結合せず、上記導波路への信号の伝搬がないため、減衰特性およびスプリアス特性の劣化が防止できる。
【００１８】
図３は図１に示した誘電体フィルタの組み立て後の長手方向の断面図である。同図に示すように、誘電体板３の下面には、上面の電極非形成部４ａ，４ｂ，４ｃに対向する電極非形成部５ａ，５ｂ，５ｃを有する電極２を形成している。これらの対向する電極非形成部４ａ，４ｂ，４ｃ，５ａ，５ｂ，５ｃによって誘電体板３に３つの共振領域１４ａ，１４ｂ，１４ｃを構成している。基板６の下面には略全面に電極１２を形成している。この電極１２と基板６の上面の電極１１とはスルーホール１３を介して導通しているため、電極１２，枠体７、およびカバー８が共振領域１４ａ，１４ｂ，１４ｃおよび結合部材としてのマイクロストリップ線路９，１０の周囲を覆うキャビティとして作用する。共振領域１４ａ，１４ｃによる２つの共振器は結合部材としてのマイクロストリップ線路９，１０とそれぞれ電磁界結合し、また共振領域１４ａ，１４ｂによる２つの共振器間および１４ｂ，１４ｃによる２つの共振器間はそれぞれ電磁界結合し、３つの共振器から成る３段の帯域通過フィルタを構成する。
【００１９】
図４は第１の実施形態に係る誘電体フィルタの広帯域スプリアス特性を示す図である。従来の誘電体フィルタの広帯域特性では、基板の両主面に挟まれる導波路を伝搬するパラレルプレートモードはカットオフがないため、このパラレルプレートモードは図９に示したＨＥ１１０モードより低い周波数でも伝搬する。特に９〜１１ＧＨｚでの減衰は１０ｄＢ前後の値しか得られない。これに対して、図４に示す広帯域特性では、９〜１１ＧＨｚでの減衰は５０ｄＢ以上得られ、図９に示した従来の誘電体フィルタに比較して低く抑えられていることが判る。たとえば、１０ＧＨｚの発振回路の出力信号を逓倍して２０ＧＨｚの信号を得るような場合、逓倍回路の出力信号には、１０ＧＨｚ信号が含まれることになるが、この第１の実施形態に係るフィルタを逓倍回路の出力に挿入すれば、１０ＧＨｚ信号を十分に抑圧することができる。なお、ＨＥ１１０，ＨＥ２１０，ＨＥ３１０，ＴＥ１１０モードは共振器内で発生する共振モードであり、レスポンスレベルは低くならない。
【００２０】
このように、第１の実施形態によれば、誘電体板に構成される共振領域およびその共振領域に結合する結合部材周囲の共振領域としての空間が制限され、この空間と、基板の両主面の電極１１，１２による導波路とは遮断され、その導波路への信号の伝搬がなくなる。その結果、フィルタの減衰特性およびスプリアス特性が改善される。また、基板６にキャビティの横断面形状に沿った複数個のスルーホールを形成したことにより、基板内を伝搬するパラレルプレートモードの共振周波数を上げて、その高次モードの周波数をフィルタとして使用するモードの通過帯域より十分に離すことができる。また、低誘電率のプリント基板を用い、実効的な誘電率を下げることによって、基板内（キャビティ内）での共振周波数を上げ、基板内を伝搬するパラレルプレートモードの共振周波数を更に上げることができる。また、低誘電率のプリント基板を用いることにより管内波長が長くなり、スルーホールの配列ピッチを比較的大きくすることができ、基板の作成が容易になる。しかも、汎用性のあるプリント基板を用いることで、コストダウンが図れ、そのハンドリングも向上する。
【００２１】
次に、第２の実施形態に係る誘電体フィルタの構成を図５〜図９を参照して説明する。
【００２２】
図５は誘電体フィルタの分解斜視図であり、図６はその基板の平面図である。第１の実施形態として示した図１および図２と比較すれば明らかなように、この第２の実施形態では、マイクロストリップ線路９，１０の周囲を除いて、枠体７の載置位置の内部にも基板６の上面に電極１１を形成している。そしてマイクロストリップ線路９，１０の周囲で、電極１１の縁となる部分に複数のスルーホール１３を配列している。また、この第２の実施形態では、基板６としてεｒ＝１０のアルミナ基板を用いている。マイクロストリップ線路９，１０と電極１１との間隔はマイクロストリップ線路９，１０の線路幅の２〜３倍隔てていて、径が０．３ｍｍのスルーホール１３を１ｍｍのピッチで配列している。ここではフィルタの中心周波数は２０ＧＨｚであり、基板内のλｇは約４．７ｍｍであるので、スルーホール１３の配列ピッチ１ｍｍはλｇ／４より小さな値である。その他の構成は第１の実施形態の場合と同様である。
【００２３】
図７は第２の実施形態に係る誘電体フィルタの広帯域スプリアス特性を示す図である。上述したように、従来の誘電体フィルタの広帯域特性では、パラレルプレートモードは図９に示したＨＥ１１０モードより低い周波数でも伝搬し、特に９〜１１ＧＨｚでの減衰は１０ｄＢ前後の値しか得られないが、図７に示す広帯域特性では、９〜１１ＧＨｚでの減衰は５０ｄＢ以上得られ、図９に示した従来の誘電体フィルタに比較して低く抑えられていることが判る。
【００２４】
このように、結合部材としてのマイクロストリップ線路の周囲に一定間隔を隔てて電極１１を形成するとともにスルーホールを配列したことにより、基板６の比誘電率が比較的高くてもパラレルプレートモードによるスプリアスを効果的に抑圧することができる。
【００２５】
図１０は第３の実施形態に係る送受共用器の構成例を示す図である。同図は、基板６に枠体を取り付け、その枠体上に誘電体板３を取り付けた状態での（カバーを取り付ける前の）平面図である。基板６の、枠体が接合される位置には、基板６の両主面に形成した電極同士を導通させるスルーホールを配列している。誘電体板３の上面には４１ａ，４１ｂ，４１ｃ，４２ａ，４２ｂで示す５つの電極非形成部を有する電極を形成していて、誘電体板３の下面にはこれらの電極非形成部に対向する位置を電極非形成部とする電極を形成している。これによって５つのＴＥ０１０モードの誘電体共振器を構成している。このうち電極非形成部４１ａ，４１ｂ，４１ｃ部分に構成される３つの誘電体共振器は３段の共振器からなる受信フィルタとして用いる。また電極非形成部４２ａ，４２ｂ部分に構成される２つの共振器は２段の共振器からなる送信フィルタとして用いる。
【００２６】
図１０に示した状態で、上面に図１に示したものと同様のカバーを接合する。この構造によって、基板６の下面の電極、スルーホールおよびカバーによって誘電体共振器の周囲を電磁遮蔽する。
【００２７】
基板６には９ｒ，１０ｒ，１０ｔ，９ｔで示す、４つのプローブとしてのマイクロストリップ線路を形成している。そして、マイクロストリップ線路９ｒ，９ｔの端部は受信信号出力ポート，送信信号入力ポートとしてそれぞれ用いる。またマイクロストリップ線路１０ｒと１０ｔの端部は分岐用のマイクロストリップ線路で結合し、入出力ポートとして外部に取り出している。２つのマイクロストリップ線路１０ｒ，１０ｔの等価的短絡面から分岐点までの電気長は、分岐点から送信周波数の波長で受信フィルタを見た場合と、受信周波数の波長で送信フィルタを見た場合とで、それぞれ高インピーダンスに見えるように定める。
【００２８】
このように単一の基板上に多数の共振器を配列する場合でも、本願発明によれば、誘電体板３に構成される共振領域およびその共振領域に結合する結合部材周囲の共振領域としての空間が制限され、この空間と、基板の両主面の電極による導波路とは遮断され、その導波路への信号の伝搬がなくなる。その結果、送信フィルタおよび受信フィルタの減衰特性およびスプリアス特性が改善された、分岐特性に優れた送受共用器が得られる。
【００２９】
図１１は上記送受共用器をアンテナ共用器として用いた通信機の構成を示す図である。ここで、４６ａは上記受信フィルタ、４６ｂは上記送信フィルタであり、４６はアンテナ共用器を構成している。同図に示すように、アンテナ共用器４６の受信信号出力ポート４６ｃに受信回路４７を、送信信号入力ポート４６ｄに送信回路４８をそれぞれ接続し、アンテナポート４６ｅにアンテナ４９を接続することによって、全体として通信機５０を構成している。この通信機はたとえば携帯電話機等の高周波回路部分に相当する。
【００３０】
このように、本願発明の誘電体フィルタを適用したアンテナ共用器を用いることによって、分岐特性に優れたアンテナ共用器を用いた小型の通信機を構成できる。なお、アンテナ共用器４６の受信フィルタ４６ａと送信フィルタ４６ｂとを、たとえば図１に示したような単体の誘電体フィルタとして別々に構成してもよい。
【００３１】
【発明の効果】
請求項１に記載の発明によれば、誘電体板に構成される共振領域およびその共振領域に結合する結合部材周囲の共振領域としての空間が制限され、この空間と、基板の両主面の電極による導波路とは遮断され、その導波路への信号の伝搬がなくなる。その結果フィルタの減衰特性およびスプリアス特性が改善される。
【００３２】
請求項２に記載の発明によれば、基板の両主面の電極による導波路とマイクロストリップ線路との結合を十分に抑えることができる。
【００３３】
請求項３に記載の発明によれば、配列されている導体路が、基板内を伝搬する信号に対して導体壁として作用し、シールド効果が高まる。
【００３４】
また、請求項４に記載の発明によれば、送信フィルタおよび受信フィルタの減衰特性およびスプリアス特性が改善された、分岐特性に優れた送受共用器が得られる。
【００３５】
さらに、請求項５に記載の発明によれば、高周波回路部分の減衰特性およびスプリアス特性に優れた通信機が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施形態に係る誘電体フィルタの分解斜視図である。
【図２】同誘電体フィルタで用いる基板の平面図である。
【図３】同誘電体フィルタの断面図である。
【図４】同誘電体フィルタの広帯域スプリアス特性を示す図である。
【図５】第２の実施形態に係る誘電体フィルタの分解斜視図である。
【図６】同誘電体フィルタで用いる基板の平面図である。
【図７】同誘電体フィルタの広帯域スプリアス特性を示す図である。
【図８】従来の誘電体フィルタの構成を示す分解斜視図である。
【図９】従来の誘電体フィルタの広帯域スプリアス特性を示す図である。
【図１０】第３の実施形態に係るアンテナ共用器の構成を示す図
【図１１】第４の実施形態に係る通信機の構成を示すブロック図
【符号の説明】
１，２−電極
３−誘電体板
４ａ，４ｂ，４ｃ−電極非形成部
５ａ，５ｂ，５ｃ−電極非形成部
６−基板
７−枠体
８−カバー
９，１０−マイクロストリップ線路
１１，１２−電極
１３−スルーホール（導体路）
１４ａ，１４ｂ，１４ｃ−共振領域
１９，２０−プローブ
４１ａ，４１ｂ，４１ｃ，４２ａ，４２ｂ−電極非形成部

Claims (5)

1. 電極非形成部を対向させて誘電体板の両主面に電極を形成して、前記対向する電極非形成部で挟設される領域を共振領域とし、該共振領域に結合する結合部材を設け、前記共振領域および前記結合部材の周囲に空間を形成するキャビティを設けて成る誘電体フィルタにおいて、
   前記キャビティの一部を、誘電体板または絶縁体板の両主面に電極を形成した基板で構成するとともに、該基板の、前記誘電体板の電極に導通する箇所に沿って、前記基板の両主面の電極間を導通させる複数の導体路を形成したことを特徴とする誘電体フィルタ。
2. 電極非形成部を対向させて誘電体板の両主面に電極を形成して、前記対向する電極非形成部で挟設される領域を共振領域とし、該共振領域に結合する結合部材を設け、前記共振領域および前記結合部材の周囲に空間を形成するキャビティを設けて成る誘電体フィルタにおいて、
   前記キャビティの一部を、誘電体板または絶縁体板の両主面に電極を形成した基板で構成し、前記結合部材を前記基板に形成したマイクロストリップ線路で構成するとともに、該マイクロストリップ線路幅の２〜３倍だけ離れた当該マイクロストリップ線路の両側に前記基板の両主面の電極間を導通させる複数の導体路を設けたことを特徴とする誘電体フィルタ。
3. 前記導体路の配列ピッチは、誘電体フィルタの中心周波数における管内波長の１／４以下にしたことを特徴とする請求項１または２に記載の誘電体フィルタ。
4. 請求項１〜３のうちいずれかに記載の誘電体フィルタを、送信フィルタと受信フィルタの一方または両方に用い、前記送信フィルタを送信信号入力ポートと入出力ポートとの間に設け、前記受信フィルタを受信信号出力ポートと前記入出力ポートとの間に設けたことを特徴とする送受共用器。
5. 請求項４に記載の送受共用器の送信信号入力ポートに送信回路を接続し、前記送受共用器の受信信号出力ポートに受信回路を接続し、前記送受共用器の入出力ポートにアンテナを接続して成る通信機。

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