JP3603826B2 - スパイラル線路集合体素子、共振器、フィルタ、デュプレクサおよび高周波回路装置 - Google Patents
スパイラル線路集合体素子、共振器、フィルタ、デュプレクサおよび高周波回路装置 Download PDFInfo
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、無線通信や電磁波の送受信に利用される、例えばマイクロ波帯やミリ波帯における回路素子、共振器、フィルタ、デュプレクサ、および高周波回路装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、マイクロ波帯やミリ波帯で用いられる平面回路型の共振器は、誘電体基板上にマイクロストリップラインなどの平面回路により構成するものが一般的であった。
【０００３】
このような平面回路型の共振器を小型化したものとして、次の文献が開示されている。
【０００４】
（１）粟井郁雄「マイクロ波平面フィルタ」ＭＷＥ２０００ Ｍｉｃｒｏｗａｖｅ Ｗｏｒｋｓｈｏｐ Ｄｉｇｅｓｔ，ｐｐ．４４５−４５４，２０００．
（２）佐川守一 牧本三夫「インピーダンス・ステップを有するマイクロ波共振器の構成とその基本特性」， 信学技報ＳＡＴ９５−７６，ＭＷ９５−１１８（１９９５−１２），ｐｐ．２５−３０，１９９５．
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上記文献に示されている共振器は、共振器を構成する線路の開放端側を低インピーダンス、短絡端側を高インピーダンスとなるように、線路幅をステップ形状にして、いわゆるステップインピーダンス共振器を構成したものであった。すなわち、共振線路の開放端側を低インピーダンス、短絡端側を高インピーダンスとし、そのインピーダンス比を大きくする程、波長短縮効果が大きくなることを利用して、全体に小型化を図るものであった。
【０００６】
ここで、上記波長短縮効果について図１８を参照して説明する。
図１８において、（Ａ１）はステップ構造を持たない共振器の線路パターン、（Ａ２）はステップインピーダンス構造の共振器の線路パターンの例を示している。また、（Ａ３）は、後に示す実施形態による共振器の例を示している。（Ｂ）は、（Ａ１），（Ａ２）に示した共振器の等価回路図である。（Ｃ）は開放端側のインピーダンスＺ１と短絡端側のインピーダンスＺ２との比と、規格化線路長（波長短縮率）との関係を示している。
【０００７】
（Ｂ）において、Ｚ１は開放端側のインピーダンス、Ｚ２は短絡端側のインピーダンス、θ１は開放端側の電気長、θ２は短絡端側の電気長である。
【０００８】
例えば、θ１：θ２＝５：５にし、すなわち短絡端側の長さと開放端側の長さとを等分したステップ構造にし、Ｚ１／Ｚ２＝０．５とすれば、規格化線路長ｋｒ＝０．７８４となる。すなわち、この場合、（Ａ）に示したステップインピーダンス構造の共振器を構成する共振線路の線路長は、ステップインピーダンス構造でない共振器の共振線路の線路長の約０．７８倍に短縮化される。
【０００９】
上記波長短縮効果は、θ１：θ２＝５：５、すなわち等分ステップにした場合に最も効果がある。
【００１０】
ところが、このようなステップインピーダンス共振器によって大きな波長短縮効果を得るためには、インピーダンス比を大きくすることになるが、誘電体基板上の限られた占有面積では、低インピーダンス部分の線幅をあまり大きくできず、その結果、高インピーダンス部分の線幅は相対的に非常に細くなる。この線幅の細い部分が電流分布の腹となって共振器が動作するため、導体損失が大きくなり、共振器のＱが低下するという問題が生じる。
【００１１】
また、上記Ｑの低下の問題は共振器に限らず、その他の高周波回路素子、例えばコンデンサなどの素子、についても同様に改善されるべき事柄であった。さらに、これらの素子を、低損失化を図った線路に接続して回路を構成する際、接続の適合性を高めることも重要であった。
【００１２】
この発明の目的は、小面積で低損失な、線路による素子、およびそれを備えた共振器、フィルタ、デュプレクサ、高周波回路装置を提供することにある。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
この発明のスパイラル線路集合体素子は、それぞれ極座標を（ｒ，θ）とし、
【数１０】
（ｒｏは最小半径）
によって表される等幅スパイラル状の複数の線路の集合体による素子であって、前記複数の線路を、互いに交差しないように、基板上の所定点を中心とする略回転対称位置にそれぞれ配置するとともに、これらの複数の線路の集合体の複数本分の各線路について、該線路に略直交する略直線位置で、前記複数本分の線路の外周端を揃えた形状にすることにより構成する。
【００１４】
この構造により、或る１つのスパイラル状の線路に隣接して略同形状のスパイラル状の線路が隣接配置されることにより、線路間に間隙が設けられることになり、誘電体基板に対して垂直方向の磁界が上記間隙を通る。そのため、磁界の疎密分布が電極の縁端部で密とならず、磁界の疎密が緩和されるため、各スパイラル状線路の縁端効果が緩和され、各スパイラル状線路の縁端部における電流集中が低くなる。その結果、全体の導体損失が低下して低損失化が図れる。
【００１５】
さらに、複数の線路に略直交する略直線位置で線路外周端を揃えた形状としているので、例えば略直線状で互いに略平行な複数の線路による直線線路集合体を容易に接続することができ、その接続部における損失も最小限なものとすることができる。
【００１６】
この発明の共振器は、それぞれ略直線状で互いに略平行な複数の線路により、直線線路集合体素子を構成するとともに、該直線線路集合体素子の両端に上記スパイラル線路集合体素子をそれぞれ設けることにより構成する。
上記スパイラル線路集合体素子は、電荷を蓄積する小面積・低損失な容量素子として作用し、上記直線線路集合体素子は、小面積・低損失な誘導素子として作用する。これにより、全体に小面積・低損失な共振器が実現できる。
【００１７】
また、この発明の共振器は、直線線路集合体素子の両端に配置するスパイラル線路集合体素子の各線路の旋回方向を互いに逆の関係として、線対称形の共振器を構成するとともに、該共振器を２組設け、且つ、それぞれの直線線路集合体素子同士を近接させて、４つのスパイラル線路集合体素子を上下左右が略対称となるように配置することにより構成する。
【００１８】
この構造により、上記直線線路集合体素子での導体損失が低減され、全体にさらにＱを高めることができる。
【００１９】
この発明のフィルタは、上記共振器に信号入出力部を設けて構成する。これにより、小型で低挿入損失のフィルタが得られる。
【００２０】
また、この発明のデュプレクサは、上記フィルタを２組備えるとともに、その信号入出力部として、送信信号入力端子、送受信共用入出力端子、および受信信号出力端子を設けて構成する。これにより小型で低挿入損失のデュプレクサが得られる。
【００２１】
この発明の高周波回路装置は、上記スパイラル線路集合体素子、共振器、フィルタ、またはデュプレクサを備えて構成する。これにより、小型で低損失な高周波回路が構成でき、それを用いた通信装置の雑音特性および伝送速度などの通信品質を向上させることができる。
【００２２】
【発明の実施の形態】
第１の実施形態に係るスパイラル線路集合体素子の構成を図１〜図５を参照して説明する。
図２は、誘電体基板上に形成したスパイラル状線路の集合体を示している。この集合体は、後述するように、各スパイラル線路の外周端を揃えて、スパイラル状線路集合体素子を構成する際の基となる原型である。但し、同図においては、作図上の便宜上から、各スパイラル状線路の形状を多角形で表わしている。もちろん、このような多角形であっても、各線路は全体的には略スパイラル状と見なせるので、実際に各線路が多角形状をなしていてもよい。この例では、各スパイラル状線路２の最小半径をｒｏ、内半径をｒａ、外半径をｒｂとし、１６本の合同のスパイラル状線路２を、上記各半径の中心を回転中心として、各スパイラル状線路が互いに交差しないように、回転対称位置に等角度間隔で配置している。
【００２３】
図１は、スパイラル線路集合体素子の構成を示す上面図である。図において２は、誘電体基板上に形成したスパイラル状線路である。図１は、図２に示した原型において、各スパイラル線路２に直交する１つの直線Ｃ−Ｃ部分で、すべてのスパイラル状線路２の外周端が揃うように、各線路２のパターンを形成したものである。上記直線Ｃ−Ｃは、図２に示した原型の各線路を、その直線の位置で切断して、各線路の外周端を強制的に設けたような直線であるので、その意味で以下「切断線」という。この切断線路Ｃ−Ｃは図２に示した最小半径ｒｏの円に接する直線である。スパイラル状線路と切断線との関係を表す式などについては後述する。
【００２４】
この例では、１６本のスパイラル線路２のすべての外周端を切断線Ｃ−Ｃ部分に揃えている。従って、すべてのスパイラル状線路２が合同というわけではないが、或るスパイラル線路に隣接して他のスパイラル線路が存在する構成は図２に示した原型と同じである。
【００２５】
以上に示したスパイラル線路集合体素子は単極素子として作用する。すなわち、後述するように、例えばこの単極素子を２組設け、その間を誘導性の素子で接続すれば、２組の単極素子間に電荷を蓄積する容量素子として作用する。
【００２６】
複数のスパイラル状線路の集合体を形成しないで、すなわち多線化しないで、所定の広がりを持つ連続した電極（ベタ電極）を形成した場合に比べて、この実施形態に係る単極素子としてのスパイラル線路集合体素子は、次に挙げる効果を奏する。
【００２７】
まず、複数のスパイラル状線路２の間に間隙を設けたため、誘電体基板に対して垂直方向の磁界は上記間隙を通る。そのため、各スパイラル状線路２の縁端効果が緩和され、各スパイラル状線路の縁端部における電流集中が低くなる。その結果、全体の導体損失が低下して低損失化が図れる。
【００２８】
また、このように複数のスパイラル状線路２を集合させたことにより、隣接するスパイラル状線路２の線路長が異なることに起因して、線路間に位相差が生じる。このことで、隣接するスパイラル状線路の線路間に、静電容量（以下、単に「容量」という。）が生じる。この線間の容量で、上記容量素子としての容量を稼ぐことができる。この線路間隔は、例えば１μｍから数μｍ程度の極めて微小な間隔にすることができ、且つスパイラル状線路の線幅も細くすることができる。そのため、誘電体基板上の限られた面積内に多数のスパイラル状線路の集合体を配置することができ、線路間の対向面積を全体に非常に大きくとることできる。その結果、誘電体基板上の面積当たりの線間容量値を大きく確保することができる。
【００２９】
また、スパイラル線路集合体を構成する複数のスパイラル状線路の外周端を切断線で揃えたことによって、後述するように、直線状の互いに平行な複数の線路の集合体に接続可能な多端子回路素子として利用できる。しかも、その接続部は、各々の線路を連続的なものとすることができ、インピーダンス不整合が生じることもなく、低損失特性を保つことができる。
また、各スパイラル状線路の線路長を短くすることによって、自己共振周波数を容易に高周波に設計することができる。
【００３０】
なお、この誘電体基板の下面には、これらの複数のスパイラル状線路の集合体形成部分に対向する位置に、グランド電極を形成していない。誘電体基板下面のグランド電極は特に必要ない。但し、誘電体基板を厚み方向に挟んで、各スパイラル線路とグランド電極との間に静電容量が生じるので、その容量成分も利用する場合には、誘電体基板の下面にグランド電極を形成してもよい。また、シールド効果を狙ってグランド電極を形成してもよい。このグランド電極に関する事柄は、後に示す他の実施形態においても同様である。
【００３１】
図３〜図５は、図１に示したものとはスパイラル線路集合体のパターンが異なった他のスパイラル線路集合体素子の例を示している。
図３に示す例では、全体に１６本のスパイラル状線路のうち、切断線Ｃ−Ｃの線上で８本のスパイラル状線路の外周端を揃えている。このように、スパイラル線路集合体を構成する複数のスパイラル状線路のうち、一部のみを切断線で揃えても、隣接するスパイラル状線路同士は電磁界結合するので、このようにすべてのスパイラル状線路を上記直線線路集合体につながなくてもよい。
【００３２】
図３に示したスパイラル線路集合体素子によれば、図１に示した場合と同様に、直線状の互いに平行な複数の線路の集合体に容易に接続することができ、且つその接続部にインピーダンス不整合が生じることもなく、低損失性を保つことができる。
【００３３】
図４に示す例では、１６本のスパイラル状線路のうち、８本ずつについて、Ｃ１−Ｃ１およびＣ２−Ｃ２で示す切断線で、それぞれの外周端を揃えている。 このスパイラル線路集合体素子は、一方の切断線Ｃ１−Ｃ１を外周端とする複数本のスパイラル状線路の集合体と、他方の切断線Ｃ２−Ｃ２を外周端とする複数本のスパイラル状線路の集合体とを対として考えることができ、一方の集合体にプラス、他方の集合体にマイナスの電荷を蓄積する容量素子として作用する。したがって、この図４に示したスパイラル線路集合体素子に、図中矢印で示す方向にそれぞれ直線線路集合体を接続することによって、２つの直線線路集合体間に容量素子が接続されたように作用する。
【００３４】
複数のスパイラル状線路の集合体を形成しないで、すなわち多線化しないで、それぞれ太い幅を持つ２本のスパイラル状線路を配置した場合に比べて、この実施形態に係る容量素子としてのスパイラル線路集合体素子は、次に挙げる効果を奏する。
【００３５】
まず、複数のスパイラル状線路２の間に間隙を設けたため、誘電体基板に対して垂直方向の磁界は上記間隙を通る。そのため、各スパイラル状線路２の縁端効果が緩和され、各スパイラル状線路の縁端部における電流集中が低くなる。その結果、全体の導体損失が低下して低損失化が図れる。
【００３６】
また、このように複数のスパイラル状線路２を集合させたことにより、第１の実施形態の場合と同様に、隣接するスパイラル状線路の線路間に容量が生じる。この線間の容量で、容量素子としての容量を稼ぐことができる。
【００３７】
図５に示す例では、１６本のスパイラル状線路のうち、４本ずつについて、Ｃ１−Ｃ１，Ｃ２−Ｃ２，Ｃ３−Ｃ３，Ｃ４−Ｃ４の４つの切断線で、それぞれの外周端を揃えている。
【００３８】
このスパイラル線路集合体素子によれば、図中矢印で示す４つの方向に直線線路集合体をそれぞれ引き出すように接続することができる。従って、４つの直線線路集合体間にそれぞれキャパシタが接続されたように作用する。
【００３９】
多線化しないで、それぞれ太い幅を持つ４本のスパイラル状線路を配置した場合に比べて、この実施形態に係る容量素子としてのスパイラル線路集合体素子は、図４に示した素子の場合と同様に低損失化および小面積化が図れる。
【００４０】
次に、以上の各実施形態で示したスパイラル状線路と切断線との関係について示す。
まず、線幅一定のスパイラル線路（以下、単に「等幅スパイラル」という。）のイメージを図１９に示す。
【００４１】
図１９において、等幅スパイラルと動径方向（ｒ 方向）とのなす角をαとおき、等幅スパイラルに直交する曲線と動径方向（ｒ 方向）とのなす角をβとおくと、両者の間には次の関係式が成り立つ。
【００４２】
【数１】
【００４３】
したがって、等幅スパイラルに直交する曲線が極座標において満たす微分方程式は次のように導出することができる。
【００４４】
【数２】
【００４５】
上式を極座標変数（ｒ，θ）に関して分離する形式で整理すると次の（３）式を得る。
【００４６】
【数３】
【００４７】
等幅スパイラルに直交する曲線の微分方程式である（３）式の解法を以下に示す。
【００４８】
はじめに無次元の中間変数として
【００４９】
【数４】
【００５０】
とおくと、極座標変数（ｒ，θ）との微分関係として次式が成り立つ。
【００５１】
【数５】
【００５２】
【数６】
【００５３】
上記（６）式は解析的に初等関数を用いて積分可能であり、次式を得る。
【００５４】
【数７】
【００５５】
ただし、（４）式の関係式を用いた。逆にｒ に関して解くと次のようになる。
【００５６】
【数８】
【００５７】
さらに極座標変数（ｒ，θ）から直交座標変数（ｘ， ｙ）を用いて表現すると次式のようになる。
【００５８】
【数９】
【００５９】
すなわち、等幅スパイラルに直交する曲線は最小半径ｒ０の円に関する接線となることがわかる。
【００６０】
次に、第２の実施形態に係る共振器の構成を図６および図７を参照して説明する。
図６は、誘電体基板上に形成した共振器の構成を示す図である。ここで２１ａ，２１ｂは、図１に示したスパイラル線路集合体素子と同様の構成からなるスパイラル線路集合体素子である。すなわち、それぞれスパイラル状をなす複数のスパイラル状線路２の集合体からなり、切断線Ｃ−Ｃ部分で各スパイラル状線路２の外周端を揃えたものである。
【００６１】
図中２２で示す部分は、複数の直線状線路２’による集合体からなる直線線路集合体素子である。これらの直線状線路２’は、一方端をスパイラル線路集合体素子２１ａの接続部となる、複数のスパイラル状線路の外周端に接続している。この直線線路集合体素子２２部分は、多線化したストリップ線路である。この直線線路集合体素子２２は、電流経路として、すなわち誘導素子として作用する。
従って、図６に示した共振器２３は、集中定数回路と見れば、誘導素子と容量素子とが並列に接続された共振器として作用する。
【００６２】
また、上記スパイラル線路集合体素子２１ａ，２１ｂの内周端付近は電圧の腹、直線線路集合体素子２２の中央が電圧の節となり、逆に直線線路集合体素子２２の中央が電流の腹、スパイラル線路集合体素子２１ａ，２１ｂの内周端付近が電流の節となるので、スパイラル線路集合体素子２１ａ，２１ｂの一方がプラスの電荷、他方がマイナスの電荷を蓄積する。すなわち、変位電流が、誘電体基板表面または誘電体基板内部を、誘電体基板の面方向を通って、スパイラル線路集合体素子２１ａ−２１ｂ間に流れる。一方、実電流は直線線路集合体素子２２を通って流れる。
従って、図６に示した共振器は、全体に線路の両端が開放端である半波長共振器として動作する。
【００６３】
上記誘導素子としての直線線路集合体素子２２は多線構造によって低損失動作する。しかも、各線路の線幅、膜厚などの最適化によって、容量素子としてのスパイラル線路集合体素子２１ａ，２１ｂとは独立して特性改善が可能である。
【００６４】
図７は、誘電体基板上に形成した他の共振器の構成例を示す図である。図６の例では、線対称の関係にある２つのスパイラル線路集合体素子２１ａ，２１ｂ同士を直線線路集合体素子２２を介して接続したが、この図７に示す例では、点対称の関係となるように、２つのスパイラル線路集合体素子２１ａ，２１ｂの外周端同士を直接接続したようなパターンにしている。
【００６５】
このように直線線路集合体素子部分がなくても、２つのスパイラル線路集合体素子２１ａ，２１ｂの接続部を含む前後の領域が誘導素子として作用するので、全体に共振器として作用する。すなわち、スパイラル線路集合体素子２１ａ，２１ｂの内周端付近は電圧の腹、上記接続部付近が電圧の節となり、逆に接続部付近が電流の腹、スパイラル線路集合体素子の内周端付近が電流の節となるので、スパイラル線路集合体素子２１ａ，２１ｂの一方がプラスの電荷、他方がマイナスの電荷を蓄積することにより、上述したものと同様に変位電流と実電流が流れて、全体に共振器として作用する。
なお、もちろん、図７に示した２つのスパイラル線路集合体素子の間に、所定長の直線線路集合体素子を配置してもよい。
【００６６】
次に、第３の実施形態に係る共振器の構成を図８〜図１０を参照して説明する。
図８は誘電体基板上に形成した共振器の構成を示す図である。この共振器は、図６に示した、いわば双極構造の共振器を２組設けた、４極構造の共振器である。すなわち、スパイラル線路集合体素子２１ａ，２１ｂ、および直線線路集合体素子２２ａｂによって１組の共振器を構成し、スパイラル線路集合体素子２１ｃ，２１ｄ、および直線線路集合体素子２２ｃｄによって、もう１組の共振器を構成している。また、この２つの直線線路集合体素子２２ａｂ，２２ｃｄ同士を平行に近接配置している。これにより、４つのスパイラル線路集合体素子２１ａ〜２１ｄが上下左右対称の関係にある４極の共振器２４を構成している。
【００６７】
このような構造により、誘導素子としての直線線路集合体素子２２ａｂ，２２ｃｄが、それらの幅方向に対して対称構造となるため、電流分布の幅方向での偏りが緩和され、全体としての導体損失がさらに低減される。
【００６８】
図１８の（Ａ３）に示したパターンは、図８に示した構造の共振器で、同一の共振周波数特性を得ようとした場合の寸法の例を示したものである。このように、従来のステップインピーダンス共振器に比べて、低損失化を図るとともに非常に小型化できる。
【００６９】
図９は、他の４極構造の共振器の構成を示す図である。図８に示した共振器では、２つの直線線路集合体素子同士を、その全長に亘って近接配置したが、この図９に示す例では、線路の延びる方向に所定距離だけずらして、２つの直線線路集合体素子２２ａｂ，２２ｃｄの一部同士を近接させている。このような構造により、直線線路集合体素子２２ａｂ−２２ｃｄ間の電界結合と磁界結合のバランスを制御することができ、スパイラル線路集合体素子２１ａ，２１ｂを含む共振器と、スパイラル線路集合体素子２１ｃ，２１ｄを含むもう１つの共振器とを所定の結合度で結合させることができる。
【００７０】
図１０は、他の４極構造の共振器の構成を示す図である。図８に示した例では、４つのスパイラル線路集合体素子２１ａ〜２１ｄのそれぞれを構成をする複数のスパイラル状線路のすべての外周端を直線線路集合体素子に接続（連続）させたが、この図１０に示す例では、４つのスパイラル線路集合体素子２１ａ〜２１ｄを構成する複数のスパイラル状線路のうち、所定の本数だけについて、それらの外周端を直線線路集合体素子２２ａｂ，２２ｃｄに接続している。このような構造であっても、図８に示した共振器と同様の作用効果を奏する。
【００７１】
また、直線線路集合体素子２２ａｂ，２２ｃｄを構成する線路の数が少ない分、直線線路集合体素子の誘導成分を増大させることができる。そのため、スパイラル線路集合体素子２１ａ〜２１ｄ部分のキャパシタンス成分を減少させることなく、所定の共振周波数の共振器を得るための誘電体基板上の占有面積を縮小化することができる。
【００７２】
次に、第４の実施形態に係るフィルタの構成を図１１〜図１５を参照して説明する。
図１１はフィルタを構成した誘電体基板の平面図であり、（Ａ）は上面図、（Ｂ）下面図である。誘電体基板１の上面には、２つの共振器２４，２６を形成している。また、誘電体基板１の下面には共振器２５を形成している。共振器２４は、図８に示したものと同様の４極構造の共振器である。共振器２５，２６は図２に示したものと同様の、複数のスパイラル状線路の集合体からなる共振器である。但し、線数は１００本以上であり、線幅および線間は数μｍであるので、全体に黒く潰れて見える。
【００７３】
誘電体基板１の下面には、グランド電極３、結合電極１２，１３，１４，１５、端子１６，１７をそれぞれ形成している。結合電極１４は、誘電体基板１上面の共振器２４と結合し、結合電極１２は共振器２５に結合する。結合電極１３も共振器２５に結合する。結合電極１５は、誘電体基板１上面の共振器２６と結合する。また、共振器２４と共振器２５とは直接は結合せず、共振器２５と共振器２６とが誘電体基板１を挟んで上下間で結合する。
【００７４】
図１２は、図１１に示したフィルタの等価回路図である。ここで、３つの共振器２４，２５，１６は、ＬＣＲの並列共振回路として表わしている。また、Ｑｅ０１、Ｑｅ０２，Ｑｅ２４，Ｑｅ３４は、それぞれ結合電極１４，１２，１３，１５による結合回路である。さらに、ｋ２３は２段目と３段目の共振器間の結合回路を表わしている。このように、共振器２４はトラップ共振器として作用し、共振器２５，２６は２段の結合した共振器として作用する。
【００７５】
図１３は、上記フィルタの通過特性Ｓ［１，１］、および反射特性Ｓ［２，１］の例を示している。ここで回路定数は以下のとおりである。
【００７６】
ｆ０１ ＝ ２１１５．５２５ ＭＨｚ
ｆ０２ ＝ １９２２．３９７ ＭＨｚ
ｆ０３ ＝ １９０１．０２４ ＭＨｚ
Ｑｅ０１＝ ９．６６
Ｑｅ０２＝ １６．４
ｋ２３ ＝ ７．１９８％
Ｑｅ３４＝ １７．０
Ｑｅ２４＝ １７３
このように、上記トラップ共振器による減衰領域を有する帯域通過特性が得られる。
【００７７】
ここで、単一の誘電体基板中に複数の共振器を構成した場合の、共振器間の結合の仕方について、図１４および図１５を参照して説明する。
図１４は、４極構造の共振器と、複数のスパイラル状線路の集合体からなる共振器とを、誘電体基板１の上下面に形成した場合について示している。（Ａ）は誘電体基板１の上面図、（Ｂ）はその下面図である。上面に形成した４極の共振器に関して電荷の符号を反転させる操作を考える。この操作は、共振器構造の対称性から、ｚ軸に関して１８０°回転させる操作と等価である。
【００７８】
誘電体基板１の上面に形成した共振器と、下面に形成した共振器をそれぞれ１８０°回転させたときの電磁界モードは、蓄積エネルギー、周波数共に元の電磁界モードと同一である。従って、誘電体基板上下面の２つの共振器のモードは縮退モードとなる。すなわち、この上下面の２つの共振器同士は結合しない。
【００７９】
このことにより、図１１に示した共振器２４と共振器２５とは直接結合しない。但し、図１１に示した例では、上面の共振器２４と下面の共振器２５とが少しずれた位置にあるため、全く結合しないわけではないが、強く結合することはない。
【００８０】
図１５は、それぞれ４極構造である２つの共振器を、誘電体基板１の上下面に形成した場合について示している。（Ａ）は誘電体基板１の上面図、（Ｂ）はその下面図である。上面に形成した４極の共振器に関して、電荷の符号（電流の向き）を反転させる操作を考える。この操作は、共振器構造の対称性から、ｙｚ面に関する空間の鏡像反転操作と等価である。
【００８１】
上記鏡像反転の電磁界モードは、蓄積エネルギー、周波数共に元の電磁界モードと同一である。従って、誘電体基板上下面の２つの共振器のモードは縮退モードとなり、この上下面の２つの共振器同士は結合しない。
【００８２】
次に、第５の実施形態としてデュプレクサの構成例を図１６を参照して説明する。
ここで、送信フィルタと受信フィルタは、いずれも、図１１等に示した構造のフィルタである。但し、トラップ共振器による減衰領域は、相手側の通過帯域（送信フィルタから見れば受信帯域、受信フィルタから見れば送信帯域）に隣接する位置となるように、フィルタ特性を定めておく。
【００８３】
送信フィルタの出力ポートと受信フィルタの入力ポートとの間は、送信信号が受信フィルタ側へ回り込まないように、また、受信信号が送信フィルタ側へ回り込まないように、位相調整を行っている。
【００８４】
次に、第６の実施形態に係る通信装置の構成を図１７に示す。
ここで、デュプレクサは、図１６に示した構成のデュプレクサである。このデュプレクサの送信端子には送信回路を、受信端子には受信回路をそれぞれ接続している。また、アンテナ端子にはアンテナを接続している。
【００８５】
【発明の効果】
この発明によれば、それぞれ等幅スパイラル状の複数の線路を、互いに交差しないように、基板上の所定点を中心とする略回転対称位置にそれぞれ配置したため、複数のスパイラル状線路の各線路間に間隙が設けられ、誘電体基板に対して垂直方向の磁界がその間隙を通る。そのため、各スパイラル状線路の縁端効果が緩和され、各スパイラル状線路の縁端部における電流集中が低くなる。その結果、全体の導体損失が低下して低損失化が図れる。
【００８６】
また、複数のスパイラル状線路の集合体の複数本分の各線路について、該線路に略直交する略直線位置で、前記複数本分の線路の外周端を揃えたことにより、例えば略直線状で互いに略平行な複数の線路がスパイラル状線路に交わることもなく、直線線路集合体を容易に接続することができ、その接続部における損失も最小限なものとすることができる。
【００８７】
この発明によれば、それぞれ略直線状で互いに略平行な複数の線路により、直線線路集合体素子を構成するとともに、該直線線路集合体素子の両端に上記スパイラル線路集合体素子をそれぞれ設けて共振器を構成したことにより、上記スパイラル線路集合体素子は、電荷を蓄積する小面積・低損失な容量素子として作用し、上記直線線路集合体素子は、小面積・低損失な誘導素子として作用する。これにより、全体に小面積・低損失な共振器が実現できる。
【００８８】
また、この発明によれば、直線線路集合体素子の両端に配置するスパイラル線路集合体素子の各線路の旋回方向を互いに逆の関係として、線対称形の共振器を構成するとともに、該共振器を２組設け、且つ、それぞれの直線線路集合体素子同士を近接させて、４つのスパイラル線路集合体素子を上下左右が略対称となるように配置して共振器を構成することにより、上記直線線路集合体素子での導体損失が低減され、全体にさらにＱを高めることができる。
【００８９】
この発明によれば、上記共振器に信号入出力部を設けてフィルタを構成することにより、小型で低挿入損失なフィルタが得られる。
【００９０】
また、この発明によれば、上記フィルタを２組備えるとともに、その信号入出力部として、送信信号入力端子、共用入出力端子、および受信信号出力端子を設けてデュプレクサを構成することにより、小型で低挿入損失なデュプレクサが得られる。
【００９１】
この発明によれば、上記スパイラル線路集合体素子、共振器、フィルタ、またはデュプレクサを備えて高周波回路装置を構成することにより、小型で低損失な高周波回路が構成でき、それを用いた通信装置の雑音特性および伝送速度などの通信品質を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施形態に係るスパイラル線路集合体素子の構成を示す図
【図２】同スパイラル線路集合体素子の基になる原型のスパイラル線路集合体の構造を示す図
【図３】スパイラル線路集合体素子の他の例を示す図
【図４】スパイラル線路集合体素子の他の例を示す図
【図５】スパイラル線路集合体素子の他の例を示す図
【図６】第２の実施形態に係る共振器の構成を示す図
【図７】共振器の他の構成例を示す図
【図８】第３の実施形態に係る共振器の構成を示す図
【図９】他の構造からなる共振器の構成を示す図
【図１０】他の構造からなる共振器の構成を示す図
【図１１】第４の実施形態に係るフィルタの構成を示す図
【図１２】同フィルタの等価回路図
【図１３】同フィルタの特性例を示す図
【図１４】共振器間の結合関係について示す図
【図１５】共振器間の結合関係について示す図
【図１６】第５の実施形態に係るデュプレクサの構成を示す図
【図１７】第６の実施形態に係る通信装置の構成を示すブロック図
【図１８】従来の共振器の構成、等価回路、および波長短縮効果の特性を示す図
【図１９】線幅一定のスパイラル線路のイメージを示す図
【符号の説明】
１−誘電体基板
２−スパイラル状線路
２’−直線状線路
３−グランド電極
１２〜１５−結合電極
１６，１７−端子
２１−スパイラル線路集合体素子
２１’−スパイラル線路集合体素子の原型
２２−直線線路集合体素子
２３〜２６−共振器
【発明の属する技術分野】
この発明は、無線通信や電磁波の送受信に利用される、例えばマイクロ波帯やミリ波帯における回路素子、共振器、フィルタ、デュプレクサ、および高周波回路装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、マイクロ波帯やミリ波帯で用いられる平面回路型の共振器は、誘電体基板上にマイクロストリップラインなどの平面回路により構成するものが一般的であった。
【０００３】
このような平面回路型の共振器を小型化したものとして、次の文献が開示されている。
【０００４】
（１）粟井郁雄「マイクロ波平面フィルタ」ＭＷＥ２０００ Ｍｉｃｒｏｗａｖｅ Ｗｏｒｋｓｈｏｐ Ｄｉｇｅｓｔ，ｐｐ．４４５−４５４，２０００．
（２）佐川守一 牧本三夫「インピーダンス・ステップを有するマイクロ波共振器の構成とその基本特性」， 信学技報ＳＡＴ９５−７６，ＭＷ９５−１１８（１９９５−１２），ｐｐ．２５−３０，１９９５．
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上記文献に示されている共振器は、共振器を構成する線路の開放端側を低インピーダンス、短絡端側を高インピーダンスとなるように、線路幅をステップ形状にして、いわゆるステップインピーダンス共振器を構成したものであった。すなわち、共振線路の開放端側を低インピーダンス、短絡端側を高インピーダンスとし、そのインピーダンス比を大きくする程、波長短縮効果が大きくなることを利用して、全体に小型化を図るものであった。
【０００６】
ここで、上記波長短縮効果について図１８を参照して説明する。
図１８において、（Ａ１）はステップ構造を持たない共振器の線路パターン、（Ａ２）はステップインピーダンス構造の共振器の線路パターンの例を示している。また、（Ａ３）は、後に示す実施形態による共振器の例を示している。（Ｂ）は、（Ａ１），（Ａ２）に示した共振器の等価回路図である。（Ｃ）は開放端側のインピーダンスＺ１と短絡端側のインピーダンスＺ２との比と、規格化線路長（波長短縮率）との関係を示している。
【０００７】
（Ｂ）において、Ｚ１は開放端側のインピーダンス、Ｚ２は短絡端側のインピーダンス、θ１は開放端側の電気長、θ２は短絡端側の電気長である。
【０００８】
例えば、θ１：θ２＝５：５にし、すなわち短絡端側の長さと開放端側の長さとを等分したステップ構造にし、Ｚ１／Ｚ２＝０．５とすれば、規格化線路長ｋｒ＝０．７８４となる。すなわち、この場合、（Ａ）に示したステップインピーダンス構造の共振器を構成する共振線路の線路長は、ステップインピーダンス構造でない共振器の共振線路の線路長の約０．７８倍に短縮化される。
【０００９】
上記波長短縮効果は、θ１：θ２＝５：５、すなわち等分ステップにした場合に最も効果がある。
【００１０】
ところが、このようなステップインピーダンス共振器によって大きな波長短縮効果を得るためには、インピーダンス比を大きくすることになるが、誘電体基板上の限られた占有面積では、低インピーダンス部分の線幅をあまり大きくできず、その結果、高インピーダンス部分の線幅は相対的に非常に細くなる。この線幅の細い部分が電流分布の腹となって共振器が動作するため、導体損失が大きくなり、共振器のＱが低下するという問題が生じる。
【００１１】
また、上記Ｑの低下の問題は共振器に限らず、その他の高周波回路素子、例えばコンデンサなどの素子、についても同様に改善されるべき事柄であった。さらに、これらの素子を、低損失化を図った線路に接続して回路を構成する際、接続の適合性を高めることも重要であった。
【００１２】
この発明の目的は、小面積で低損失な、線路による素子、およびそれを備えた共振器、フィルタ、デュプレクサ、高周波回路装置を提供することにある。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
この発明のスパイラル線路集合体素子は、それぞれ極座標を（ｒ，θ）とし、
【数１０】
によって表される等幅スパイラル状の複数の線路の集合体による素子であって、前記複数の線路を、互いに交差しないように、基板上の所定点を中心とする略回転対称位置にそれぞれ配置するとともに、これらの複数の線路の集合体の複数本分の各線路について、該線路に略直交する略直線位置で、前記複数本分の線路の外周端を揃えた形状にすることにより構成する。
【００１４】
この構造により、或る１つのスパイラル状の線路に隣接して略同形状のスパイラル状の線路が隣接配置されることにより、線路間に間隙が設けられることになり、誘電体基板に対して垂直方向の磁界が上記間隙を通る。そのため、磁界の疎密分布が電極の縁端部で密とならず、磁界の疎密が緩和されるため、各スパイラル状線路の縁端効果が緩和され、各スパイラル状線路の縁端部における電流集中が低くなる。その結果、全体の導体損失が低下して低損失化が図れる。
【００１５】
さらに、複数の線路に略直交する略直線位置で線路外周端を揃えた形状としているので、例えば略直線状で互いに略平行な複数の線路による直線線路集合体を容易に接続することができ、その接続部における損失も最小限なものとすることができる。
【００１６】
この発明の共振器は、それぞれ略直線状で互いに略平行な複数の線路により、直線線路集合体素子を構成するとともに、該直線線路集合体素子の両端に上記スパイラル線路集合体素子をそれぞれ設けることにより構成する。
上記スパイラル線路集合体素子は、電荷を蓄積する小面積・低損失な容量素子として作用し、上記直線線路集合体素子は、小面積・低損失な誘導素子として作用する。これにより、全体に小面積・低損失な共振器が実現できる。
【００１７】
また、この発明の共振器は、直線線路集合体素子の両端に配置するスパイラル線路集合体素子の各線路の旋回方向を互いに逆の関係として、線対称形の共振器を構成するとともに、該共振器を２組設け、且つ、それぞれの直線線路集合体素子同士を近接させて、４つのスパイラル線路集合体素子を上下左右が略対称となるように配置することにより構成する。
【００１８】
この構造により、上記直線線路集合体素子での導体損失が低減され、全体にさらにＱを高めることができる。
【００１９】
この発明のフィルタは、上記共振器に信号入出力部を設けて構成する。これにより、小型で低挿入損失のフィルタが得られる。
【００２０】
また、この発明のデュプレクサは、上記フィルタを２組備えるとともに、その信号入出力部として、送信信号入力端子、送受信共用入出力端子、および受信信号出力端子を設けて構成する。これにより小型で低挿入損失のデュプレクサが得られる。
【００２１】
この発明の高周波回路装置は、上記スパイラル線路集合体素子、共振器、フィルタ、またはデュプレクサを備えて構成する。これにより、小型で低損失な高周波回路が構成でき、それを用いた通信装置の雑音特性および伝送速度などの通信品質を向上させることができる。
【００２２】
【発明の実施の形態】
第１の実施形態に係るスパイラル線路集合体素子の構成を図１〜図５を参照して説明する。
図２は、誘電体基板上に形成したスパイラル状線路の集合体を示している。この集合体は、後述するように、各スパイラル線路の外周端を揃えて、スパイラル状線路集合体素子を構成する際の基となる原型である。但し、同図においては、作図上の便宜上から、各スパイラル状線路の形状を多角形で表わしている。もちろん、このような多角形であっても、各線路は全体的には略スパイラル状と見なせるので、実際に各線路が多角形状をなしていてもよい。この例では、各スパイラル状線路２の最小半径をｒｏ、内半径をｒａ、外半径をｒｂとし、１６本の合同のスパイラル状線路２を、上記各半径の中心を回転中心として、各スパイラル状線路が互いに交差しないように、回転対称位置に等角度間隔で配置している。
【００２３】
図１は、スパイラル線路集合体素子の構成を示す上面図である。図において２は、誘電体基板上に形成したスパイラル状線路である。図１は、図２に示した原型において、各スパイラル線路２に直交する１つの直線Ｃ−Ｃ部分で、すべてのスパイラル状線路２の外周端が揃うように、各線路２のパターンを形成したものである。上記直線Ｃ−Ｃは、図２に示した原型の各線路を、その直線の位置で切断して、各線路の外周端を強制的に設けたような直線であるので、その意味で以下「切断線」という。この切断線路Ｃ−Ｃは図２に示した最小半径ｒｏの円に接する直線である。スパイラル状線路と切断線との関係を表す式などについては後述する。
【００２４】
この例では、１６本のスパイラル線路２のすべての外周端を切断線Ｃ−Ｃ部分に揃えている。従って、すべてのスパイラル状線路２が合同というわけではないが、或るスパイラル線路に隣接して他のスパイラル線路が存在する構成は図２に示した原型と同じである。
【００２５】
以上に示したスパイラル線路集合体素子は単極素子として作用する。すなわち、後述するように、例えばこの単極素子を２組設け、その間を誘導性の素子で接続すれば、２組の単極素子間に電荷を蓄積する容量素子として作用する。
【００２６】
複数のスパイラル状線路の集合体を形成しないで、すなわち多線化しないで、所定の広がりを持つ連続した電極（ベタ電極）を形成した場合に比べて、この実施形態に係る単極素子としてのスパイラル線路集合体素子は、次に挙げる効果を奏する。
【００２７】
まず、複数のスパイラル状線路２の間に間隙を設けたため、誘電体基板に対して垂直方向の磁界は上記間隙を通る。そのため、各スパイラル状線路２の縁端効果が緩和され、各スパイラル状線路の縁端部における電流集中が低くなる。その結果、全体の導体損失が低下して低損失化が図れる。
【００２８】
また、このように複数のスパイラル状線路２を集合させたことにより、隣接するスパイラル状線路２の線路長が異なることに起因して、線路間に位相差が生じる。このことで、隣接するスパイラル状線路の線路間に、静電容量（以下、単に「容量」という。）が生じる。この線間の容量で、上記容量素子としての容量を稼ぐことができる。この線路間隔は、例えば１μｍから数μｍ程度の極めて微小な間隔にすることができ、且つスパイラル状線路の線幅も細くすることができる。そのため、誘電体基板上の限られた面積内に多数のスパイラル状線路の集合体を配置することができ、線路間の対向面積を全体に非常に大きくとることできる。その結果、誘電体基板上の面積当たりの線間容量値を大きく確保することができる。
【００２９】
また、スパイラル線路集合体を構成する複数のスパイラル状線路の外周端を切断線で揃えたことによって、後述するように、直線状の互いに平行な複数の線路の集合体に接続可能な多端子回路素子として利用できる。しかも、その接続部は、各々の線路を連続的なものとすることができ、インピーダンス不整合が生じることもなく、低損失特性を保つことができる。
また、各スパイラル状線路の線路長を短くすることによって、自己共振周波数を容易に高周波に設計することができる。
【００３０】
なお、この誘電体基板の下面には、これらの複数のスパイラル状線路の集合体形成部分に対向する位置に、グランド電極を形成していない。誘電体基板下面のグランド電極は特に必要ない。但し、誘電体基板を厚み方向に挟んで、各スパイラル線路とグランド電極との間に静電容量が生じるので、その容量成分も利用する場合には、誘電体基板の下面にグランド電極を形成してもよい。また、シールド効果を狙ってグランド電極を形成してもよい。このグランド電極に関する事柄は、後に示す他の実施形態においても同様である。
【００３１】
図３〜図５は、図１に示したものとはスパイラル線路集合体のパターンが異なった他のスパイラル線路集合体素子の例を示している。
図３に示す例では、全体に１６本のスパイラル状線路のうち、切断線Ｃ−Ｃの線上で８本のスパイラル状線路の外周端を揃えている。このように、スパイラル線路集合体を構成する複数のスパイラル状線路のうち、一部のみを切断線で揃えても、隣接するスパイラル状線路同士は電磁界結合するので、このようにすべてのスパイラル状線路を上記直線線路集合体につながなくてもよい。
【００３２】
図３に示したスパイラル線路集合体素子によれば、図１に示した場合と同様に、直線状の互いに平行な複数の線路の集合体に容易に接続することができ、且つその接続部にインピーダンス不整合が生じることもなく、低損失性を保つことができる。
【００３３】
図４に示す例では、１６本のスパイラル状線路のうち、８本ずつについて、Ｃ１−Ｃ１およびＣ２−Ｃ２で示す切断線で、それぞれの外周端を揃えている。 このスパイラル線路集合体素子は、一方の切断線Ｃ１−Ｃ１を外周端とする複数本のスパイラル状線路の集合体と、他方の切断線Ｃ２−Ｃ２を外周端とする複数本のスパイラル状線路の集合体とを対として考えることができ、一方の集合体にプラス、他方の集合体にマイナスの電荷を蓄積する容量素子として作用する。したがって、この図４に示したスパイラル線路集合体素子に、図中矢印で示す方向にそれぞれ直線線路集合体を接続することによって、２つの直線線路集合体間に容量素子が接続されたように作用する。
【００３４】
複数のスパイラル状線路の集合体を形成しないで、すなわち多線化しないで、それぞれ太い幅を持つ２本のスパイラル状線路を配置した場合に比べて、この実施形態に係る容量素子としてのスパイラル線路集合体素子は、次に挙げる効果を奏する。
【００３５】
まず、複数のスパイラル状線路２の間に間隙を設けたため、誘電体基板に対して垂直方向の磁界は上記間隙を通る。そのため、各スパイラル状線路２の縁端効果が緩和され、各スパイラル状線路の縁端部における電流集中が低くなる。その結果、全体の導体損失が低下して低損失化が図れる。
【００３６】
また、このように複数のスパイラル状線路２を集合させたことにより、第１の実施形態の場合と同様に、隣接するスパイラル状線路の線路間に容量が生じる。この線間の容量で、容量素子としての容量を稼ぐことができる。
【００３７】
図５に示す例では、１６本のスパイラル状線路のうち、４本ずつについて、Ｃ１−Ｃ１，Ｃ２−Ｃ２，Ｃ３−Ｃ３，Ｃ４−Ｃ４の４つの切断線で、それぞれの外周端を揃えている。
【００３８】
このスパイラル線路集合体素子によれば、図中矢印で示す４つの方向に直線線路集合体をそれぞれ引き出すように接続することができる。従って、４つの直線線路集合体間にそれぞれキャパシタが接続されたように作用する。
【００３９】
多線化しないで、それぞれ太い幅を持つ４本のスパイラル状線路を配置した場合に比べて、この実施形態に係る容量素子としてのスパイラル線路集合体素子は、図４に示した素子の場合と同様に低損失化および小面積化が図れる。
【００４０】
次に、以上の各実施形態で示したスパイラル状線路と切断線との関係について示す。
まず、線幅一定のスパイラル線路（以下、単に「等幅スパイラル」という。）のイメージを図１９に示す。
【００４１】
図１９において、等幅スパイラルと動径方向（ｒ 方向）とのなす角をαとおき、等幅スパイラルに直交する曲線と動径方向（ｒ 方向）とのなす角をβとおくと、両者の間には次の関係式が成り立つ。
【００４２】
【数１】
したがって、等幅スパイラルに直交する曲線が極座標において満たす微分方程式は次のように導出することができる。
【００４４】
【数２】
上式を極座標変数（ｒ，θ）に関して分離する形式で整理すると次の（３）式を得る。
【００４６】
【数３】
等幅スパイラルに直交する曲線の微分方程式である（３）式の解法を以下に示す。
【００４８】
はじめに無次元の中間変数として
【００４９】
【数４】
とおくと、極座標変数（ｒ，θ）との微分関係として次式が成り立つ。
【００５１】
【数５】
【数６】
上記（６）式は解析的に初等関数を用いて積分可能であり、次式を得る。
【００５４】
【数７】
ただし、（４）式の関係式を用いた。逆にｒ に関して解くと次のようになる。
【００５６】
【数８】
さらに極座標変数（ｒ，θ）から直交座標変数（ｘ， ｙ）を用いて表現すると次式のようになる。
【００５８】
【数９】
すなわち、等幅スパイラルに直交する曲線は最小半径ｒ０の円に関する接線となることがわかる。
【００６０】
次に、第２の実施形態に係る共振器の構成を図６および図７を参照して説明する。
図６は、誘電体基板上に形成した共振器の構成を示す図である。ここで２１ａ，２１ｂは、図１に示したスパイラル線路集合体素子と同様の構成からなるスパイラル線路集合体素子である。すなわち、それぞれスパイラル状をなす複数のスパイラル状線路２の集合体からなり、切断線Ｃ−Ｃ部分で各スパイラル状線路２の外周端を揃えたものである。
【００６１】
図中２２で示す部分は、複数の直線状線路２’による集合体からなる直線線路集合体素子である。これらの直線状線路２’は、一方端をスパイラル線路集合体素子２１ａの接続部となる、複数のスパイラル状線路の外周端に接続している。この直線線路集合体素子２２部分は、多線化したストリップ線路である。この直線線路集合体素子２２は、電流経路として、すなわち誘導素子として作用する。
従って、図６に示した共振器２３は、集中定数回路と見れば、誘導素子と容量素子とが並列に接続された共振器として作用する。
【００６２】
また、上記スパイラル線路集合体素子２１ａ，２１ｂの内周端付近は電圧の腹、直線線路集合体素子２２の中央が電圧の節となり、逆に直線線路集合体素子２２の中央が電流の腹、スパイラル線路集合体素子２１ａ，２１ｂの内周端付近が電流の節となるので、スパイラル線路集合体素子２１ａ，２１ｂの一方がプラスの電荷、他方がマイナスの電荷を蓄積する。すなわち、変位電流が、誘電体基板表面または誘電体基板内部を、誘電体基板の面方向を通って、スパイラル線路集合体素子２１ａ−２１ｂ間に流れる。一方、実電流は直線線路集合体素子２２を通って流れる。
従って、図６に示した共振器は、全体に線路の両端が開放端である半波長共振器として動作する。
【００６３】
上記誘導素子としての直線線路集合体素子２２は多線構造によって低損失動作する。しかも、各線路の線幅、膜厚などの最適化によって、容量素子としてのスパイラル線路集合体素子２１ａ，２１ｂとは独立して特性改善が可能である。
【００６４】
図７は、誘電体基板上に形成した他の共振器の構成例を示す図である。図６の例では、線対称の関係にある２つのスパイラル線路集合体素子２１ａ，２１ｂ同士を直線線路集合体素子２２を介して接続したが、この図７に示す例では、点対称の関係となるように、２つのスパイラル線路集合体素子２１ａ，２１ｂの外周端同士を直接接続したようなパターンにしている。
【００６５】
このように直線線路集合体素子部分がなくても、２つのスパイラル線路集合体素子２１ａ，２１ｂの接続部を含む前後の領域が誘導素子として作用するので、全体に共振器として作用する。すなわち、スパイラル線路集合体素子２１ａ，２１ｂの内周端付近は電圧の腹、上記接続部付近が電圧の節となり、逆に接続部付近が電流の腹、スパイラル線路集合体素子の内周端付近が電流の節となるので、スパイラル線路集合体素子２１ａ，２１ｂの一方がプラスの電荷、他方がマイナスの電荷を蓄積することにより、上述したものと同様に変位電流と実電流が流れて、全体に共振器として作用する。
なお、もちろん、図７に示した２つのスパイラル線路集合体素子の間に、所定長の直線線路集合体素子を配置してもよい。
【００６６】
次に、第３の実施形態に係る共振器の構成を図８〜図１０を参照して説明する。
図８は誘電体基板上に形成した共振器の構成を示す図である。この共振器は、図６に示した、いわば双極構造の共振器を２組設けた、４極構造の共振器である。すなわち、スパイラル線路集合体素子２１ａ，２１ｂ、および直線線路集合体素子２２ａｂによって１組の共振器を構成し、スパイラル線路集合体素子２１ｃ，２１ｄ、および直線線路集合体素子２２ｃｄによって、もう１組の共振器を構成している。また、この２つの直線線路集合体素子２２ａｂ，２２ｃｄ同士を平行に近接配置している。これにより、４つのスパイラル線路集合体素子２１ａ〜２１ｄが上下左右対称の関係にある４極の共振器２４を構成している。
【００６７】
このような構造により、誘導素子としての直線線路集合体素子２２ａｂ，２２ｃｄが、それらの幅方向に対して対称構造となるため、電流分布の幅方向での偏りが緩和され、全体としての導体損失がさらに低減される。
【００６８】
図１８の（Ａ３）に示したパターンは、図８に示した構造の共振器で、同一の共振周波数特性を得ようとした場合の寸法の例を示したものである。このように、従来のステップインピーダンス共振器に比べて、低損失化を図るとともに非常に小型化できる。
【００６９】
図９は、他の４極構造の共振器の構成を示す図である。図８に示した共振器では、２つの直線線路集合体素子同士を、その全長に亘って近接配置したが、この図９に示す例では、線路の延びる方向に所定距離だけずらして、２つの直線線路集合体素子２２ａｂ，２２ｃｄの一部同士を近接させている。このような構造により、直線線路集合体素子２２ａｂ−２２ｃｄ間の電界結合と磁界結合のバランスを制御することができ、スパイラル線路集合体素子２１ａ，２１ｂを含む共振器と、スパイラル線路集合体素子２１ｃ，２１ｄを含むもう１つの共振器とを所定の結合度で結合させることができる。
【００７０】
図１０は、他の４極構造の共振器の構成を示す図である。図８に示した例では、４つのスパイラル線路集合体素子２１ａ〜２１ｄのそれぞれを構成をする複数のスパイラル状線路のすべての外周端を直線線路集合体素子に接続（連続）させたが、この図１０に示す例では、４つのスパイラル線路集合体素子２１ａ〜２１ｄを構成する複数のスパイラル状線路のうち、所定の本数だけについて、それらの外周端を直線線路集合体素子２２ａｂ，２２ｃｄに接続している。このような構造であっても、図８に示した共振器と同様の作用効果を奏する。
【００７１】
また、直線線路集合体素子２２ａｂ，２２ｃｄを構成する線路の数が少ない分、直線線路集合体素子の誘導成分を増大させることができる。そのため、スパイラル線路集合体素子２１ａ〜２１ｄ部分のキャパシタンス成分を減少させることなく、所定の共振周波数の共振器を得るための誘電体基板上の占有面積を縮小化することができる。
【００７２】
次に、第４の実施形態に係るフィルタの構成を図１１〜図１５を参照して説明する。
図１１はフィルタを構成した誘電体基板の平面図であり、（Ａ）は上面図、（Ｂ）下面図である。誘電体基板１の上面には、２つの共振器２４，２６を形成している。また、誘電体基板１の下面には共振器２５を形成している。共振器２４は、図８に示したものと同様の４極構造の共振器である。共振器２５，２６は図２に示したものと同様の、複数のスパイラル状線路の集合体からなる共振器である。但し、線数は１００本以上であり、線幅および線間は数μｍであるので、全体に黒く潰れて見える。
【００７３】
誘電体基板１の下面には、グランド電極３、結合電極１２，１３，１４，１５、端子１６，１７をそれぞれ形成している。結合電極１４は、誘電体基板１上面の共振器２４と結合し、結合電極１２は共振器２５に結合する。結合電極１３も共振器２５に結合する。結合電極１５は、誘電体基板１上面の共振器２６と結合する。また、共振器２４と共振器２５とは直接は結合せず、共振器２５と共振器２６とが誘電体基板１を挟んで上下間で結合する。
【００７４】
図１２は、図１１に示したフィルタの等価回路図である。ここで、３つの共振器２４，２５，１６は、ＬＣＲの並列共振回路として表わしている。また、Ｑｅ０１、Ｑｅ０２，Ｑｅ２４，Ｑｅ３４は、それぞれ結合電極１４，１２，１３，１５による結合回路である。さらに、ｋ２３は２段目と３段目の共振器間の結合回路を表わしている。このように、共振器２４はトラップ共振器として作用し、共振器２５，２６は２段の結合した共振器として作用する。
【００７５】
図１３は、上記フィルタの通過特性Ｓ［１，１］、および反射特性Ｓ［２，１］の例を示している。ここで回路定数は以下のとおりである。
【００７６】
ｆ０１ ＝ ２１１５．５２５ ＭＨｚ
ｆ０２ ＝ １９２２．３９７ ＭＨｚ
ｆ０３ ＝ １９０１．０２４ ＭＨｚ
Ｑｅ０１＝ ９．６６
Ｑｅ０２＝ １６．４
ｋ２３ ＝ ７．１９８％
Ｑｅ３４＝ １７．０
Ｑｅ２４＝ １７３
このように、上記トラップ共振器による減衰領域を有する帯域通過特性が得られる。
【００７７】
ここで、単一の誘電体基板中に複数の共振器を構成した場合の、共振器間の結合の仕方について、図１４および図１５を参照して説明する。
図１４は、４極構造の共振器と、複数のスパイラル状線路の集合体からなる共振器とを、誘電体基板１の上下面に形成した場合について示している。（Ａ）は誘電体基板１の上面図、（Ｂ）はその下面図である。上面に形成した４極の共振器に関して電荷の符号を反転させる操作を考える。この操作は、共振器構造の対称性から、ｚ軸に関して１８０°回転させる操作と等価である。
【００７８】
誘電体基板１の上面に形成した共振器と、下面に形成した共振器をそれぞれ１８０°回転させたときの電磁界モードは、蓄積エネルギー、周波数共に元の電磁界モードと同一である。従って、誘電体基板上下面の２つの共振器のモードは縮退モードとなる。すなわち、この上下面の２つの共振器同士は結合しない。
【００７９】
このことにより、図１１に示した共振器２４と共振器２５とは直接結合しない。但し、図１１に示した例では、上面の共振器２４と下面の共振器２５とが少しずれた位置にあるため、全く結合しないわけではないが、強く結合することはない。
【００８０】
図１５は、それぞれ４極構造である２つの共振器を、誘電体基板１の上下面に形成した場合について示している。（Ａ）は誘電体基板１の上面図、（Ｂ）はその下面図である。上面に形成した４極の共振器に関して、電荷の符号（電流の向き）を反転させる操作を考える。この操作は、共振器構造の対称性から、ｙｚ面に関する空間の鏡像反転操作と等価である。
【００８１】
上記鏡像反転の電磁界モードは、蓄積エネルギー、周波数共に元の電磁界モードと同一である。従って、誘電体基板上下面の２つの共振器のモードは縮退モードとなり、この上下面の２つの共振器同士は結合しない。
【００８２】
次に、第５の実施形態としてデュプレクサの構成例を図１６を参照して説明する。
ここで、送信フィルタと受信フィルタは、いずれも、図１１等に示した構造のフィルタである。但し、トラップ共振器による減衰領域は、相手側の通過帯域（送信フィルタから見れば受信帯域、受信フィルタから見れば送信帯域）に隣接する位置となるように、フィルタ特性を定めておく。
【００８３】
送信フィルタの出力ポートと受信フィルタの入力ポートとの間は、送信信号が受信フィルタ側へ回り込まないように、また、受信信号が送信フィルタ側へ回り込まないように、位相調整を行っている。
【００８４】
次に、第６の実施形態に係る通信装置の構成を図１７に示す。
ここで、デュプレクサは、図１６に示した構成のデュプレクサである。このデュプレクサの送信端子には送信回路を、受信端子には受信回路をそれぞれ接続している。また、アンテナ端子にはアンテナを接続している。
【００８５】
【発明の効果】
この発明によれば、それぞれ等幅スパイラル状の複数の線路を、互いに交差しないように、基板上の所定点を中心とする略回転対称位置にそれぞれ配置したため、複数のスパイラル状線路の各線路間に間隙が設けられ、誘電体基板に対して垂直方向の磁界がその間隙を通る。そのため、各スパイラル状線路の縁端効果が緩和され、各スパイラル状線路の縁端部における電流集中が低くなる。その結果、全体の導体損失が低下して低損失化が図れる。
【００８６】
また、複数のスパイラル状線路の集合体の複数本分の各線路について、該線路に略直交する略直線位置で、前記複数本分の線路の外周端を揃えたことにより、例えば略直線状で互いに略平行な複数の線路がスパイラル状線路に交わることもなく、直線線路集合体を容易に接続することができ、その接続部における損失も最小限なものとすることができる。
【００８７】
この発明によれば、それぞれ略直線状で互いに略平行な複数の線路により、直線線路集合体素子を構成するとともに、該直線線路集合体素子の両端に上記スパイラル線路集合体素子をそれぞれ設けて共振器を構成したことにより、上記スパイラル線路集合体素子は、電荷を蓄積する小面積・低損失な容量素子として作用し、上記直線線路集合体素子は、小面積・低損失な誘導素子として作用する。これにより、全体に小面積・低損失な共振器が実現できる。
【００８８】
また、この発明によれば、直線線路集合体素子の両端に配置するスパイラル線路集合体素子の各線路の旋回方向を互いに逆の関係として、線対称形の共振器を構成するとともに、該共振器を２組設け、且つ、それぞれの直線線路集合体素子同士を近接させて、４つのスパイラル線路集合体素子を上下左右が略対称となるように配置して共振器を構成することにより、上記直線線路集合体素子での導体損失が低減され、全体にさらにＱを高めることができる。
【００８９】
この発明によれば、上記共振器に信号入出力部を設けてフィルタを構成することにより、小型で低挿入損失なフィルタが得られる。
【００９０】
また、この発明によれば、上記フィルタを２組備えるとともに、その信号入出力部として、送信信号入力端子、共用入出力端子、および受信信号出力端子を設けてデュプレクサを構成することにより、小型で低挿入損失なデュプレクサが得られる。
【００９１】
この発明によれば、上記スパイラル線路集合体素子、共振器、フィルタ、またはデュプレクサを備えて高周波回路装置を構成することにより、小型で低損失な高周波回路が構成でき、それを用いた通信装置の雑音特性および伝送速度などの通信品質を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施形態に係るスパイラル線路集合体素子の構成を示す図
【図２】同スパイラル線路集合体素子の基になる原型のスパイラル線路集合体の構造を示す図
【図３】スパイラル線路集合体素子の他の例を示す図
【図４】スパイラル線路集合体素子の他の例を示す図
【図５】スパイラル線路集合体素子の他の例を示す図
【図６】第２の実施形態に係る共振器の構成を示す図
【図７】共振器の他の構成例を示す図
【図８】第３の実施形態に係る共振器の構成を示す図
【図９】他の構造からなる共振器の構成を示す図
【図１０】他の構造からなる共振器の構成を示す図
【図１１】第４の実施形態に係るフィルタの構成を示す図
【図１２】同フィルタの等価回路図
【図１３】同フィルタの特性例を示す図
【図１４】共振器間の結合関係について示す図
【図１５】共振器間の結合関係について示す図
【図１６】第５の実施形態に係るデュプレクサの構成を示す図
【図１７】第６の実施形態に係る通信装置の構成を示すブロック図
【図１８】従来の共振器の構成、等価回路、および波長短縮効果の特性を示す図
【図１９】線幅一定のスパイラル線路のイメージを示す図
【符号の説明】
１−誘電体基板
２−スパイラル状線路
２’−直線状線路
３−グランド電極
１２〜１５−結合電極
１６，１７−端子
２１−スパイラル線路集合体素子
２１’−スパイラル線路集合体素子の原型
２２−直線線路集合体素子
２３〜２６−共振器
Claims (6)
- それぞれ極座標を（ｒ，θ）とし、
によって表される等幅スパイラル状の複数の線路の集合体による素子であって、前記複数の線路を、互いに交差しないように、基板上の所定点を中心とする略回転対称位置にそれぞれ配置するとともに、これらの複数の線路の集合体の複数本分の各線路について、該線路に略直交する略直線位置で、前記複数本分の線路の外周端を揃えた形状にして成るスパイラル線路集合体素子。 - それぞれ略直線状で互いに略平行な複数の線路により、直線線路集合体素子を構成するとともに、該直線線路集合体素子の両端に、請求項１に記載のスパイラル線路集合体素子をそれぞれ設けて成る共振器。
- 請求項２に記載の直線線路集合体素子の両端に配置するスパイラル線路集合体素子の各線路の旋回方向を互いに逆の関係として、線対称形の共振器を構成するとともに、該共振器を２組設け、且つ、それぞれの直線線路集合体素子同士を近接させて、４つのスパイラル線路集合体素子を上下左右が略対称となるように配置して成る共振器。
- 請求項２または３に記載の共振器に信号入出力部を設けたフィルタ。
- 請求項４に記載のフィルタを２組備えるとともに、前記信号入出力部として、送信信号入力端子、送受信共用入出力端子、および受信信号出力端子を設けて成るデュプレクサ。
- 請求項１に記載のスパイラル線路集合体素子、請求項２または３に記載の共振器、請求項４に記載のフィルタ、もしくは請求項５に記載のデュプレクサを備えた高周波回路装置。
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