JP2014022864A - 導波管フィルタ及びデュプレクサ - Google Patents

Abstract

【課題】 簡易な構成で加工が容易であり、所望のフィルタ特性を実現でき、導波管−平面線路変換器としても使用可能な高性能な導波管フィルタ及びデュプレクサを提供する。
【解決手段】 導波管１の入力端面に、誘電体基板２０に放射電極２１が形成されたパッチアンテナ２を配置し、パッチアンテナ２の給電線２２は、導波管の磁界に平行なＨ面に平行に設けられており、放射電極２１の形状を、矩形の角部を一部切り欠いた切り欠き部を備え、導波管のＨ面に対して非対称な形状として、放射電極２１の縦横の寸法と、切り欠き部の形状及び大きさと、給電点の位置と、誘電体基板の厚みのいずれか又はこれらの組み合わせを調整することによって周波数通過特性が調整される導波管フィルタであり、また、導波管１０の入力端面に複数のパッチアンテナを備えたデュプレクサとしている。
【選択図】 図１

Description

本発明は、導波管フィルタ及びデュプレクサに係り、特に製造が容易で高性能な導波管フィルタ及びデュプレクサに関する。

［先行技術の説明］
マイクロ波やミリ波用のフィルタとして、導波管フィルタがある。
導波管フィルタには、水晶等の誘電体から成る容量性窓や誘導性窓を有するアイリスを用いた結合型の導波管フィルタや、導波管のＥ面に金属壁を形成して結合させるフィンライン共振器がある。

アイリスを用いた導波管フィルタは、入出力間に遮断導波管を挿入し、その遮断導波管の中に誘電体共振器等の共振系を挿入して結合させることにより、所望のフィルタ特性として、ＢＰＦ（Band Pass Filter）等の帯域通過濾波器として用いられている。
誘電体を用いた場合、誘電体損失によりロスが生じる。誘電体として水晶を用いると誘電体損は少なくて済むが、所望の結合係数を得られるアイリスを形成するためには、高い加工精度が要求される。

フィンライン共振器では、矩形導波管のＥ面に共振パターンを備えた薄い金属板を設けて、２つの並行した遮断導波管を形成し、共振器としている。共振周波数は、導波管の寸法や金属板に形成されるパターンの寸法によって決定されるが、２つの空洞を仕切る薄いフィン部分の加工に高い精度が要求される。

［導波管−平面線路変換器］
また、マイクロストリップ−導波管変換器や、コプレナ−導波管変換器等のインピーダンス変換器（導波管−平面線路変換器）は、フィルタとは別に設計されて、接続されて使用される。
導波管−平面線路変換器では、５０Ωで設計されたフィルタと、数百Ωもの高いインピーダンスを備えた導波管とのインピーダンス整合を行うため、整合帯域が非常に狭くなってしまう。
特に、デュプレクサでは、アンテナに接続されるポートにおいては２つの周波数領域で広帯域に整合させなければならず、損失が大きくなってしまう。

［関連技術］
尚、ミリ波用の導波管フィルタに関する技術としては、特開２００５−３５４６９８号公報「フィンライン型マイクロ波帯域通過フィルタ」（トムソンライセンシング、特許文献１）、特開２００３−１１０３０７号公報「誘導体導波管フィルタとその実装構造」（東光株式会社、特許文献２）、特開２０１２−０２９０１８号公報「帯域通過フィルタ」（ＮＥＣエンジニアリング株式会社、特許文献３）、特開２０１０−０１０８１４号公報「帯域通過フィルタ」（島田理化工業株式会社、特許文献４）がある。

特許文献１には、フィンライン型のマイクロ波帯域通過フィルタにおいて、導波管のＥ面にインサートが形成された基板を備え、基板に垂直な短絡回路にキャビティを有し、キャビティの位置及び寸法によりフィルタ応答曲線のゼロ伝送を決定し、ゼロの周りにある周波数群を減衰させることが記載されている。

特許文献２には、誘電体導波管フィルタの入出力端に誘電体の突出部を設け、入出力用の導体ストリップ線路を入出力端の共振器から突出部に形成して、突出部の端部で終端させ、所定の長さ以上に形成された配線基板の線路と結合させて入出力の整合を得ることが記載されている。

特許文献３には、フィンライン型帯域通過フィルタから成る２つの入出力導波管の間に、複数のデュアルモード型空洞共振器を縦続接続した帯域通過フィルタが記載されている。
また、特許文献４には、アイリスを備えた導波管フィルタが記載されている。

また、導波管−平面線路変換器に関する技術としては、特開２００８−１３１５１３号公報「導波管−高周波線路変換器」（株式会社村田製作所、特許文献５）、特開２００６−１９７４７９号公報「高周波線路−導波管変換器」（京セラ株式会社、特許文献６）、特開平０８−１３９５０４号公報「導波管・平面線路変換器」（日本電気株式会社、特許文献７）がある。

特許文献５には、裏面と中間にグランド層を設けた誘電体基板の表面に、コプレーナ線路を形成するマイクロストリップ線路の途中から先端までを誘電体基板の表面に形成されたキャビティ部に配置して、裏面のグランド層に形成されたキャビティ内のパッチとマイクロストリップ線路の先端部分とをビアホールを介して接続した導波管−高周波線路変換器が記載されている。

特許文献６には、高周波線路−導波管変換器において、誘電体層の上面に線路導体が形成され、線路導体をスロットを介して取り囲み、線路導体の先端と短絡する接地導体層とを備え、線路導体の先端の短絡部を幅広に形成することが記載されている。

特許文献７には、平面線路基板を誘電体基板を挟んだ３層の導体構造とし、上層にアンテナパターンと、アンテナパターンの周囲の接地導体とを備え、中層にアンテナパターンにバイアホールで接続されるストリップ導体を備え、下層に接地導体を備え、各層の接地導体を接続し、ストリップ導体をコプレーナ構造とすることが記載されている。

特開２００５−３５４６９８号公報 特開２００３−１１０３０７号公報 特開２０１２−０２９０１８号公報 特開２０１０−０１０８１４号公報 特開２００８−１３１５１３号公報 特開２００６−１９７４７９号公報 特開平０８−１３９５０４号公報

しかしながら、従来のアイリスを用いた導波管フィルタやフィンライン型フィルタでは、所望の特性を得るためには高い加工精度が必要であり、製造を容易に行うことができないという問題点があった。

尚、特許文献１〜７には、導波管の入力側にパッチアンテナを設け、パッチアンテナの電極形状を変えて所望のフィルタ特性を得ることについての記載はない。
また、特許文献１〜７には、別の導波管フィルタやデュプレクサの入力側の導波管−平面線路変換器として搭載される導波管フィルタやデュプレクサについての記載もない。

本発明は、上記実状に鑑みて為されたもので、簡易な構成で加工が容易であり、所望のフィルタ特性を実現でき、導波管−平面線路変換器としても使用可能な高性能な導波管フィルタ及びデュプレクサを提供することを目的とする。

上記従来例の問題点を解決するための本発明は、特定周波数を通過させる導波管フィルタであって、導波管を備え、導波管の入力端面に、誘電体基板に放射電極が形成されたパッチアンテナを配置し、パッチアンテナの給電線は、導波管の磁界に平行なＨ面に平行に設けられており、放射電極は、矩形を変形させた形状であって、矩形の角部を一部切り欠いた切り欠き部を備え、導波管のＨ面に対して非対称な形状であることを特徴としている。

また、本発明は、上記導波管フィルタにおいて、放射電極の縦横の寸法と、切り欠き部の形状及び大きさと、給電点の位置と、誘電体基板の厚み、のいずれか若しくはこれらの組み合わせが調整されることにより、周波数通過特性が調整されることを特徴としている。

上記従来例の問題点を解決するための本発明は、入力周波数を異なる２つの周波数帯域に分離するデュプレクサであって、導波管を備え、導波管の入力端面に、誘電体基板に放射電極が形成されたパッチアンテナを複数配置し、パッチアンテナの給電線は、導波管の磁界に平行なＨ面に平行に設けられており、放射電極は、矩形を変形させた形状であって、矩形の角部を一部切り欠いた切り欠き部を備え、導波管のＨ面に対して非対称な形状であることを特徴としている。

また、本発明は、上記デュプレクサにおいて、放射電極の縦横の寸法と、切り欠き部の形状及び大きさと、給電点の位置と、誘電体基板の厚み、のいずれか若しくはこれらの組み合わせが調整されることにより、周波数通過特性が調整されることを特徴としている。

本発明によれば、特定周波数を通過させる導波管フィルタであって、導波管を備え、導波管の入力端面に、誘電体基板に放射電極が形成されたパッチアンテナを配置し、パッチアンテナの給電線は、導波管の磁界に平行なＨ面に平行に設けられており、放射電極は、矩形を変形させた形状であって、矩形の角部を一部切り欠いた切り欠き部を備え、導波管のＨ面に対して非対称な形状である導波管フィルタとしているので、構成が簡易で製造が容易であり、互いに直交する２つの共振周波数を結合させて、良好な特性を得ることができ、また、導波管−平面線路変換器としても使用できる効果がある。

また、本発明によれば、放射電極の縦横の寸法と、切り欠き部の形状及び大きさと、給電点の位置と、誘電体基板の厚み、のいずれか若しくはこれらの組み合わせが調整されることにより、周波数通過特性が調整される上記導波管フィルタとしているので、共振周波数や結合の強さを調整して、所望のフィルタ特性を得ることができる効果がある。

また、本発明によれば、入力周波数を異なる２つの周波数帯域に分離するデュプレクサであって、導波管を備え、導波管の入力端面に、誘電体基板に放射電極が形成されたパッチアンテナを複数配置し、パッチアンテナの給電線は、導波管の磁界に平行なＨ面に平行に設けられており、放射電極は、矩形を変形させた形状であって、矩形の角部を一部切り欠いた切り欠き部を備え、導波管のＨ面に対して非対称な形状であるデュプレクサとしているので、構成が簡易で製造が容易であり、低損失で広帯域での整合を実現でき、良好な特性を得ることができ、また、導波管−平面線路変換器としても使用できる効果がある。

また、本発明によれば、放射電極の縦横の寸法と、切り欠き部の形状及び大きさと、給電点の位置と、誘電体基板の厚み、のいずれか若しくはこれらの組み合わせが調整されることにより、周波数通過特性が調整される上記デュプレクサとしているので、共振周波数や結合の強さを調整して、所望のフィルタ特性を得ることができる効果がある。

本発明の実施の形態に係る導波管フィルタの斜視説明図である。 導波管におけるＴＥ10モードの電界方向及び磁界方向を示す模式説明図である。 パッチアンテナ２の放射電極２１及び給電線を模式的に表した説明図であり、（ａ）は給電点及び寸法のパラメータを示す説明図、（ｂ）は放射電極の形状を示す説明図である。 本導波管フィルタのフィルタ特性を示す特性図である。 本発明の実施の形態に係るデュプレクサの斜視説明図である。 本デュプレクサのフィルタ特性の一例を示す特性図である。

本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。
［実施の形態の概要］
本発明の実施の形態に係る導波管フィルタは、導波管の入力端面にパッチアンテナを配置し、当該パッチアンテナの給電線を導波管の磁界方向に平行な面（Ｈ面）に平行に配置したものであり、簡易な構成で製造が容易でフィルタ特性を向上させることができ、更に、パッチアンテナの電極の縦横比や角部の形状を変えることにより、所望のフィルタ特性を得ることができるものである。

また、本発明の実施の形態に係るデュプレクサは、導波管の入力端面に複数のパッチアンテナを配置し、当該複数のパッチアンテナの給電線を導電管のＨ面に平行に配置したものであり、簡易な構成で製造が容易でフィルタ特性を向上させることができ、更に、パッチアンテナの電極の縦横比や角部の形状を変えることにより、所望のフィルタ特性を得ることができるものである。

［実施の形態に係る導波管フィルタ：図１］
図１は、本発明の実施の形態に係る導波管フィルタの斜視説明図である。
本発明の実施の形態に係る導波管フィルタは、特定の周波数を通過させる帯域通過フィルタとして用いられるものであり、図１に示すように、導波管１の入力端面に、パッチアンテナ２を取り付けた構成である。

導波管１は、矩形導波管であり、図１の手前側に示した入力端面及び奥側に示した出力端面に開口部を備え、入力端面の開口部を覆うようにパッチアンテナ２が取り付けられている。
また、出力端面（ポート２）には開口部を覆い、出力ポートとなる導体パターンが形成されているが、出力端面の開口部と導体パターンは図示を省略している。
尚、ここでは導波管１の形状として、伝搬方向（奥行き方向）を短く形成したものを示しているが、所望の周波数に応じて長く形成してもよい。

パッチアンテナ２は、一般的な構成であり、例えば、誘電体基板２０の表面に給電電極及び給電電極の周囲を取り囲む接地電極が形成され（図示省略）、誘電体基板２０の裏面に放射電極２１が形成され、誘電体基板２０の裏面が導波管１の内部に面している。
誘電体基板２０の表面に形成された給電電極は、平面線路２２（ポート１）によって信号が給電され、給電電極から裏面の放射電極２１に、誘電体基板２０を貫通するビアホール（又は給電ピン）２３を介して給電される。放射電極２１がビアホール２３と接続する点を給電点とする。
平面線路２２は、コプレナ線路又はマイクロストリップ線路で形成されている。

そして、放射電極２１の縦横の寸法や角部（エッジ部）の形状を変えることにより、共振や結合の特性を変えて、本導波管フィルタのフィルタ特性を調整することができるものである。
つまり、放射電極２１の寸法や、角部の形状はフィルタ特性を決めるパラメータとなっており、更に、給電点の位置や、誘電体基板２０の厚さもフィルタ特性のパラメータとなる。

［電界及び磁界の方向：図２］
次に、本導波管フィルタの導波管１における電界及び磁界の向きについて図２を用いて説明する。図２は、導波管におけるＴＥ10モードの電界方向及び磁界方向を示す模式説明図である。
図２に示すように、図１に示した矩形導波管において、ＴＥ10モードの電界は底面及び上面に直交しており、電界に平行な面をＥ面と称する。
ＴＥ10モードの磁界（Ｈ）は、図１に示した矩形導波管の左右の側面に直交しており、磁界に平行な面をＨ面と称する。

［放射電極２１の形状：図３］
次に、パッチアンテナ２の放射電極２１の形状について図３を用いて説明する。図３は、パッチアンテナ２の放射電極２１及び給電線を模式的に表した説明図であり、（ａ）は給電点及び寸法のパラメータを示す説明図、（ｂ）は放射電極の形状を示す説明図である。
図３（ａ）に示すように、本導波管フィルタにおけるパッチアンテナ２の放射電極２１の基本的な形状は、一辺の長さがａ及びｂの長方形であり、導波管１の磁界（Ｈ）方向の辺の長さをａ、電界（Ｅ）方向の辺の長さをｂとする。
また、本導波管フィルタでは、給電線２２は、Ｈ面に平行に配置されている。

そして、導波管１のＨ面に平行に給電することにより、まずＴＥ10モードの共振（１）が発生し、次に共振（２）が発生してこれらが結合する。
放射電極２１のａとｂの寸法は任意に設定可能であり、Ｈ面に平行に給電し、ａ，ｂを適宜選択することにより、互いに直交した２つの共振（１）と共振（２）の周波数を変化させるものである。ａ，ｂが大きいほど共振周波数は低く、ａ，ｂが小さいほど共振周波数は高くなる。

更に、図３（ｂ）に示すように、本導波管フィルタでは、放射電極２１の角部に切り欠き部を形成して、放射電極２１の形状を単なる長方形ではなく変形させた形状としている。このとき、角部の切り欠きの形状は、放射電極２１の形状が導波管１のＨ面に対して非対称となるような形状及び位置に形成する。つまり、放射電極２１は、平面線路２２及びその延長線に対して線対称とならない形状となっている。

図３（ｂ）の例では、放射電極２１の対角線上の２箇所の角部に切り欠き部を形成して、変形させている。切り欠き部は、図１に示したように矩形や、図３（ｂ）のように三角形の形状があり、所望の特性が得られるよう形状及び寸法を調整する。

また、給電点の位置やパッチアンテナの誘電体基板２０の厚みを変えることによっても、特性を調整することが可能となる。
これにより、直交した２つの共振（１）（２）が結合するため、低損失で広帯域にて整合させ、且つ所望のフィルタ特性に調整することができるものである。

つまり、本導波管フィルタでは、パッチアンテナ２のパラメータとして、（１）放射電極２１の寸法（ａ，ｂ）、（２）角部の切り欠きの形状及び大きさ、（３）給電点の位置、（４）誘電体基板の厚み、の４種類のパラメータを適宜組み合わせて値を選択することにより、広帯域での整合を可能とし、所望のフィルタ特性が得られるものである。
微小な周波数調整の場合、切り欠きのみを変形させるだけで調整可能なこともある。

［本導波管フィルタのフィルタ特性：図４］
次に、本導波管フィルタのフィルタ特性について図４を用いて説明する。図４は、本導波管フィルタのフィルタ特性を示す特性図である。
図４では、実線は通過特性（Ｓ₂₁）、破線は反射特性（アイソレーション、Ｓ₁₁）を表している。
図４に示すように、本導波管フィルタによって良好なフィルタ特性が得られることがわかった。

［本導波管フィルタを導波管−平面線路変換器として用いた場合］
次に、本導波管フィルタを導波管−平面線路変換器として適用した水晶導波管フィルタについて説明する。
上述したように、本導波管フィルタは、平面線路と導波管とを広帯域で整合させることができるため、導波管−平面線路変換器としても動作させることが可能である。

本導波管−平面線路変換器は、基本的な構成は上述した導波管フィルタと同様であり、導波管１の入力端面にパッチアンテナ２を配置し、パッチアンテナ２の給電方向を導波管１のＨ面としたものであるが、出力端面は開口部となっている。この開口部が別の水晶導波管フィルタの入力ポートに接続して取り付けられることにより、導波管−平面線路変換器として動作するものである。

［実施の形態に係る導波管フィルタの効果］
本発明の実施の形態に係る導波管フィルタによれば、矩形導波管１の入力端面にパッチアンテナ２を配置し、給電方向をＨ面に平行として、パッチアンテナ２の放射電極２１の縦横の寸法、角部の切り欠きの形状や大きさ、給電点の位置、誘電体基板の厚みといったパラメータが適宜選択された導波管フィルタとしているので、直交した２つの共振を発生させて結合させることができ、アイリスやフィンといった加工が困難な部材を用いることなく、簡易な構成で良好な特性の導波管フィルタを容易に製造することができる効果がある。
また、本導波管フィルタは、導波管−平面線路変換器としても用いることができる効果がある。

［実施の形態に係るデュプレクサ：図５］
次に、本発明の実施の形態に係るデュプレクサについて図５を用いて説明する。図５は、本発明の実施の形態に係るデュプレクサの斜視説明図である。
上述した図１の導波管フィルタを応用して、電界の向きを考慮して入出力を選ぶとデュプレクサを構成することができる。
本発明の実施の形態に係るデュプレクサ（本デュプレクサ）は入力された信号から特定の２つの異なる周波数帯域（第１の周波数帯域、第２の周波数帯域）を出力するものである。

図５に示すように、本デュプレクサは、上述した導波管フィルタと同様に、矩形導波管１０の入力端面に、第１のパッチアンテナ２０１と第２のパッチアンテナ２０２とを設けた構成である。
第１のパッチアンテナ２０１、第２のパッチアンテナ２０２の基本的な構成は、上述した図１の導波管フィルタにおけるパッチアンテナ２と同様であり、導波管１０のＨ面に平行に給電される。

第１のパッチアンテナ２０１、第２のパッチアンテナ２０２の給電線となる平面線路は、マイクロストリップ線路又はコプレナ線路で形成され、磁界に平行に、且つ互いに反対方向に引き出されている。
ここでは、第１のパッチアンテナ２０１に設けられた平面線路をポート１、第２のパッチアンテナ２０２に設けられた平面線路をポート２、導波管１０の出力端面をポート３としている。

そして、第１のパッチアンテナ２０１は、直交する２つの共振を結合させて第１の周波数帯域で共振し、同様に、第２のパッチアンテナ２０２は第２の周波数帯域で共振するよう、放射電極の寸法（ａ，ｂ）、角部の切り欠き形状、給電点の位置、誘電体基板の厚み等のパラメータが適宜設定されている。
これにより、本デュプレクサは、容易に製造でき、広い周波数帯域に低損失で整合することができるものである。

尚、導波管１０の出力端面には、第１の周波数に整合して第１の周波数を出力する第１の導体パターンと、第２の周波数に整合して第２の周波数を出力する第２の導体パターンとが形成されているが、図示は省略する。

［本デュプレクサのフィルタ特性：図６］
次に、本デュプレクサのフィルタ特性の例について図６を用いて説明する。図６は、本デュプレクサのフィルタ特性の一例を示す特性図である。
図６では、左側の太い実線はポート１とポート３の通過特性（Ｓ31）、右側の太い実線はポート２とポート３の通過特性（Ｓ32）、細い実線は分離特性（アイソレーション、Ｓ21）を表している。
図６に示すように、本デュプレクサによって良好なフィルタ特性が得られることがわかる。

［実施の形態に係るデュプレクサの効果］
本発明の実施の形態に係るデュプレクサによれば、導波管１０の入力端面に、第１のパッチアンテナ２０１と、第２のパッチアンテナ２０２とを配置し、それぞれ給電方向をＨ面に平行として、パッチアンテナ２０１，２０２の放射電極の縦横の寸法、角部の切り欠きの形状や大きさ、給電点の位置、誘電体基板の厚みといったパラメータが適宜選択されることで、第１の周波数及び第２の周波数を出力するデュプレクサとしているので、簡易な構成で広帯域の周波数に整合させることができるデュプレクサを容易に製造することができる効果がある。
また、本デュプレクサは、導波管−平面線路変換器としても用いることができる効果がある。

本発明は、製造が容易で高性能な導波管フィルタ及びデュプレクサに適している。

１，１０...導波管、 ２，２０１，２０２...パッチアンテナ、 ２０...誘電体基板、 ２１...放射電極、 ２２...平面線路、 ２３...ビアホール

Claims (4)

1. 特定周波数を通過させる導波管フィルタであって、
   導波管を備え、
   前記導波管の入力端面に、誘電体基板に放射電極が形成されたパッチアンテナを配置し、
   前記パッチアンテナの給電線は、前記導波管の磁界に平行なＨ面に平行に設けられており、
   前記放射電極は、矩形を変形させた形状であって、前記矩形の角部を一部切り欠いた切り欠き部を備え、導波管のＨ面に対して非対称な形状であることを特徴とする導波管フィルタ。
2. 放射電極の縦横の寸法と、切り欠き部の形状及び大きさと、給電点の位置と、誘電体基板の厚み、のいずれか若しくはこれらの組み合わせが調整されることにより、周波数通過特性が調整されることを特徴とする請求項１記載の導波管フィルタ。
3. 入力周波数を異なる２つの周波数帯域に分離するデュプレクサであって、
   導波管を備え、
   前記導波管の入力端面に、誘電体基板に放射電極が形成されたパッチアンテナを複数配置し、
   前記パッチアンテナの給電線は、前記導波管の磁界に平行なＨ面に平行に設けられており、
   前記放射電極は、矩形を変形させた形状であって、前記矩形の角部を一部切り欠いた切り欠き部を備え、導波管のＨ面に対して非対称な形状であることを特徴とするデュプレクサ。
4. 放射電極の縦横の寸法と、切り欠き部の形状及び大きさと、給電点の位置と、誘電体基板の厚み、のいずれか若しくはこれらの組み合わせが調整されることにより、周波数通過特性が調整されることを特徴とする請求項３記載のデュプレクサ。

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