JP4287388B2 - コプレーナ平面回路内結合構造、共振器励振構造およびフィルタ - Google Patents

Description

本発明は、主にマイクロ波帯・ミリ波帯のコプレーナ平面回路に用いられるコプレーナ平面回路内結合構造、共振器励振構造およびフィルタに関するものである。

従来、フィルタ等を構成するコプレーナ平面回路入出力部の共振器励振構造としては、励振線の先端を開放して共振器に近接させる容量性結合と、励振線を共振器に直に接続する誘導性結合とが主に用いられていた。

図１は従来の容量性結合を用いた励振構造を表す平面図であり（例えば非特許文献１を参照。）、コプレーナ平面回路１の中央を通る励振線４の先端はＴ字状に広げられ、開放した状態で長めの空隙部を介して共振器６一端の同じく先端をＴ字状に広げられた部分と対向されて励振部５が形成されている。なお、コプレーナ平面回路１の両側は地導体２、３で覆われている。

図２は従来の誘導性結合を用いた励振構造を表す平面図であり（例えば非特許文献２を参照。）、共振器６の一端と地導体３との短絡部付近に励振線４が直に接続されて励振部５が形成されている。

また、図３は従来の誘導性結合を用いた励振構造の他の例を表す平面図であり（例えば非特許文献３を参照。）、共振器６の一端に励振線４が直に接続され、その接続部から十字状に地導体２、３と接続される線によって励振部５が形成されている。
小泉，佐藤，楢橋，「寸法誤差の影響を受けにくい結合構造を適用した５ＧＨｚ帯コプレーナ形λ/４共振器高温超伝導フィルタ」，信学技報MW2004-25, pp. 55-60, May. 2004 河口，馬，小林，「ＣＰＷ１/４波長スパイラル共振器を用いた５ＧＨｚ帯域通過フィルタの設計」，信学会２００４年ソサイエティ大会，C-2-81, Nov. 2004 河口，馬，小林，「ＣＰＷ１/４波長共振器を用いた５ＧＨｚインターディジタル形ＢＰＦの設計」，信学会２００４年ソサイエティ大会，C-2-80, Nov. 2004

図１に示したような容量性結合を用いた共振器励振構造の外部結合量は、一般に、誘導性結合を用いた共振器励振構造のそれと比較して弱い。したがって帯域通過フィルタ等を設計する際に、信号入出力部に容量性結合を用いて所望の外部結合量を確保するためには、励振線の先端開放部を共振器中の電荷が集中する部分に近接させる必要がある。しかし、被励振共振器の電荷集中部が構造上の問題で外側とならない場合には、十分な外部結合量を確保するために励振線と共振器が近接する空隙部を長くとることが必要であり、そのため、励振部構造に要する平面回路基板上の面積が肥大化する問題があるとともに、次段の共振器に励振線の影響が及ぶことにより回路本来の特性が悪化するという問題があった。

一方、図２もしくは図３に示したような、共振器に直結の誘導性結合を用いた共振器励振構造においては、逆に外部結合量が大きくなり過ぎる傾向があることから、励振線を共振器に直結する位置をλ／４共振器では短絡部に近い部分にとることが必要であり、励振線の位置を平面回路基板の中央付近に配置することが困難であった。これにより、回路基板を収容する筐体を遮断導波管として考えた場合、不要な伝搬モードが強く励振され回路本来の特性が悪化するという問題があった。

さらに、回路パターン生成後すなわち平面回路基板を製作した後に外部結合量を調整する場合、同時に外部結合の対象である端の共振器の共振周波数にまで影響が及び、パラメータを独立に調整できないという問題もあった。この例として、図４にλ／４スパイラル共振器に励振線を直結した誘導性結合を用いた共振器励振構造を示す。図４において回路パターン生成後に斜線で示した調整部７の地導体を削ることによって共振器６と地導体２の間の励振線側空隙幅ｇを増加させ、外部結合の強度を調整した場合の共振器６の共振周波数と外部結合量Ｑ（外部Ｑ）の変化を図５に示す。図５から明らかなように、励振線側空隙幅ｇを増加させることによって外部Ｑの値が調整できているが、同時に共振器６の共振周波数も変動してしまっていることがわかる。

これまで共振器の励振構造について説明したが、これらの問題点はコプレーナ平面回路内における信号入出力線と任意の回路部との結合部についてもいえることである。

本発明は上記のような従来技術の問題点に鑑み提案されたものであり、その目的とするところは、信号入出力線自身の存在による不要な伝搬モードを抑制しつつ、結合部が要するコプレーナ平面回路基板上の面積を節約して回路の小型化を図り、かつ回路パターン生成後の外部結合量、共振周波数等のパラメータの独立した調整が容易なコプレーナ平面回路内結合構造、共振器励振構造およびフィルタを提供することにある。

上記の課題を解決するため、本発明にあっては、請求項１に記載されるように、両側に地導体を配したコプレーナ平面回路内における任意の回路部への結合構造であって、上記コプレーナ平面回路の中央に設けられた信号入出力線と、上記信号入出力線の一端を上記地導体の一方に短絡して形成され、上記回路部の一部に空隙部を介して対向する誘導性結合部とを備え、上記誘導性結合部の上記回路部と反対側に他の空隙部を隔てて存在する地導体の一部を削り空隙幅を増大することにより外部結合量を調整することを要旨としている。これにより、信号入出力線がコプレーナ平面回路の中央に設けられることで信号入出力線自身の存在による不要な伝搬モードを抑制することができ、回路部との結合を誘導性結合とすることで結合部が要するコプレーナ平面回路基板上の面積を節約して回路の小型化を図ることができ、信号入出力線の一端を地導体の一方に短絡して回路部を結合部とは独立した構成とすることで回路パターン生成後の外部結合量等の独立した調整が容易になる。

また、請求項２に記載されるように、上記誘導性結合部は上記信号入出力線の一端を曲げて上記地導体の一方に短絡して形成されるものとすることができる。これにより、容易に誘導性結合部を形成することができる。

また、請求項３に記載されるように、上記誘導性結合部の曲げ部の角を取りもしくは角を丸めたものとすることができる。これにより、電流が集中しやすい角部の影響をなくし、電流の偏りをなくして回路特性を向上させることができる。

また、請求項４に記載されるように、上記誘導性結合部の曲げ部に上記地導体との短絡部と反対側に張り出す折り返し部を設けるようにすることができる。これにより、空隙部を介して回路部と対向する誘導性結合部の長さを増し、誘導性結合部の結合をより強いものとすることができる。

また、請求項５に記載されるように、上記誘導性結合部の曲げ部と上記地導体との短絡部との間に上記回路部の一部を囲んで対向する囲み部を設けるようにすることができる。これにより、空隙部を介して回路部と対向する誘導性結合部の長さを増し、誘導性結合部の結合をより強いものとすることができる。

また、請求項６に記載されるように、両側に地導体を配したコプレーナ平面回路内における共振器の励振構造であって、上記コプレーナ平面回路の中央に設けられた励振線と、上記励振線の一端を上記地導体の一方に短絡して形成され、上記共振器の一部に空隙部を介して対向する励振部とを備え、上記励振部の上記共振器と反対側に他の空隙部を隔てて存在する地導体の一部を削り空隙幅を増大することにより外部結合量を調整する共振器励振構造として構成することができる。

また、請求項７に記載されるように、上記共振器は、λ／４スパイラル共振器、λ／４集中定数形メアンダ共振器、λ／２共振器のいずれかであるものとすることができる。

また、請求項８に記載されるように、両側に地導体を配したコプレーナ平面回路内に１もしくは複数の共振器を配したフィルタであって、上記コプレーナ平面回路の中央に設けられた励振線と、上記励振線の一端を上記地導体の一方に短絡して形成され、初段もしくは終段の上記共振器の一部に空隙部を介して対向する励振部とを備え、上記励振部の上記共振器と反対側に他の空隙部を隔てて存在する地導体の一部を削り空隙幅を増大することにより外部結合量を調整するフィルタとして構成することができる。

本発明のコプレーナ平面回路内結合構造、共振器励振構造およびフィルタにあっては、信号入出力線自身の存在による不要な伝搬モードを抑制しつつ、結合部が要するコプレーナ平面回路基板上の面積を節約して回路の小型化を図り、かつ回路パターン生成後の外部結合量、共振周波数等のパラメータの独立した調整が容易となるという効果を奏する。特に、遮断導波管内に収容されるマイクロ波・ミリ波帯のコプレーナ平面回路において、共振器の励振による不要な導波管モードの発生を抑制できる小型な励振構造を構成することが可能となり、同時に回路の他のパラメータを殆ど変動させずに外部結合の強度のみを調整することが可能となって、所望の特性を得る回路の実現がしやすくなるという効果を奏する。

以下、本発明の好適な実施形態につき説明する。

図６は本発明の第１の実施形態にかかる励振構造を表す平面図である。図６（ａ）において、コプレーナ平面回路１の両側には地導体２、３が設けられており、信号入出力線としての励振線４は回路基板を収容する遮断導波管内で不要な伝搬モードを発生させないようにコプレーナ平面回路１の中央部分に設けられている。また、励振線４の先端はＬ字状に曲げられて地導体２に短絡され、この短絡線路を共振器６の電流集中部に幅αの空隙部を介して近接して対向することにより誘導性結合部としての励振部５が形成されている。外部結合の強度は、空隙部の幅α、励振線４の短絡線路の長さβ、励振線４の短絡線路と地導体２との間の距離ｓ等によって定まる。また、ここでは結合対象となる回路部としての共振器６をλ／４スパイラル共振器としている。図６（ｂ）では励振線４先端の励振部５の位置を共振器６の短絡側としている点が異なる。

一方、回路パターン生成後に共振器６の共振周波数と独立して外部結合の強度を調整する場合は、共振器６とは独立した構造となっている励振線４の短絡線路と地導体との間の距離ｓを斜線で示す調整部７の地導体を削ることによって拡げることで、外部結合が強くなる方向に変更可能である。図６（ａ）、（ｂ）の構造において、短絡線・地導体間空隙幅ｓをパラメータとして共振器６の共振周波数と外部結合の強度（外部Ｑ）をプロットしたグラフをそれぞれ図７（ａ）、（ｂ）に示す。図７（ａ）、（ｂ）から明らかなように、短絡線・地導体間空隙幅ｓを変化させても共振器６の共振周波数は殆ど変化せず、外部Ｑの値のみが変動していることがわかる。なお、回路パターン生成後に外部結合の強度を調整する場合には、一般に短絡線路の太さが細くなるほど単位長さあたりの外部Ｑの変動が大きくなる。したがって、地導体までの空隙幅ｓを地導体を削ることにより適度に変化させることで所望の特性が得られるよう予め設計の際に短絡線路の太さを適切に設定しておくものとする。

次に、図８は本発明の第２の実施形態にかかる励振構造を表す平面図であり、結合する共振器６をλ／４集中定数形メアンダ共振器とし、図８（ａ）では共振器６の非短絡側に、図８（ｂ）では短絡側に、励振線４をＬ字状に折り曲げて地導体２、３へ短絡して励振部５を形成した共振器励振構造である。この場合においても前述の図６（ａ）、（ｂ）と全く同様の効果がある。

この他、共振器６についてはλ／４共振器であればどのような構造の共振器であっても、励振線４一端の励振部５側にその短絡部を近接させることにより、同様の効果を有する励振構造をとることが可能であり、それらはすべて本発明の範囲に含まれる。

図９は本発明の第３の実施形態にかかる励振構造を表す平面図であり、共振器６をλ／２共振器とした場合の例である。この場合についても、励振線４一端の励振部５側に共振器６中で最も電流密度が高くなる共振線の中央部を近接させることにより、同様の効果を有する励振構造をとることが可能である。

図１０は本発明の第４の実施形態にかかる励振構造を表す平面図であり、上記Ｌ字状の構造の応用として、励振部５の短絡部分の形状につき、図１０（ａ）は角を落とした形状の切り落とし部５１を設けたもの、図１０（ｂ）は角を丸めた形状の丸め部５２を設けたものである。この場合、電流が集中しやすい角部の影響をなくし、電流の偏りをなくして回路特性を向上させることができる。

図１１は本発明の第５の実施形態にかかる励振構造を表す平面図であり、励振部５をＬ字以外の構造としたものである。すなわち、図１１（ａ）、（ｂ）に示すように、励振部５に地導体との短絡部と反対側に張り出す折り返し部５３を設けるようにしたものである。この場合、空隙部を介して共振器６と対向する励振部５の長さβを増し、結合をより強いものとすることができる。

図１２は本発明の第６の実施形態にかかる励振構造を表す平面図であり、励振部５をＬ字以外の構造とした他の例を示している。すなわち、図１２（ａ）、（ｂ）に示すように、励振部５の曲げ部と地導体との短絡部との間に共振器６の一部を囲んで対向する囲み部５４を設けるようにしたものである。この場合も、空隙部を介して共振器６と対向する励振部５の長さを増し、結合をより強いものとすることができる。

図１３は本発明の第７の実施形態にかかる励振構造を表す平面図であり、第１〜第６の実施形態と異なり、励振部５に誘導性結合ではなく容量性結合を用いたものである。すなわち、励振部５に共振器６の一部を囲んで空隙部を介して対向する囲み部５５を形成し、囲み部５５を開放の状態としたものである。この場合も、励振線４がコプレーナ平面回路１の中央に設けられることで励振線４自身の存在による不要な伝搬モードを抑制することができ、共振器６との結合が容量性結合でありながら囲み部５５によって対向部が長くなることで励振部５が要するコプレーナ平面回路１上の面積を、従来の直線状のパターンを対向させるもの（図１）と比べて節約し、回路の小型化を図ることができる。また、囲み部５５によって共振器６を励振部５とは独立した構成とすることで回路パターン生成後の外部結合量等の独立した調整が容易になる。

次に、図１４は本発明の第８の実施形態にかかるフィルタ１０を表す平面図であり、励振線４の一端をＬ字状に曲げて地導体に短絡して形成した励振部５による共振器励振構造と４個の共振器６（λ／４スパイラル共振器）を用いて４段帯域通過フィルタを構成したパターンの例である。図１４（ａ）〜（ｆ）では、励振部５の配置および共振器６相互間の結合方法の組み合わせを変えてある。

図１５は本発明の第９の実施形態にかかるフィルタ１０を表す平面図であり、励振線４の一端をＬ字状に曲げて地導体に短絡して形成した励振部５による共振器励振構造と６個の共振器６（λ／４スパイラル共振器）を用いて６段有極形帯域通過フィルタを構成したパターンの例である。図１５（ａ）、（ｂ）は、励振部５の配置および共振器６相互間の結合方法を変えてある。

図１４および図１５に示す帯域通過フィルタは共振器励振構造として図６の構造を採用し、共振器６としてλ／４スパイラル共振器を用いた例であるが、共振器励振構造として図１０〜図１３のような構造を用い、共振器６としてλ／４集中定数形メアンダ共振器やλ／２共振器も含めたその他の共振器を用いても同様の特性を得ることができ、それらすべてが本発明の範囲に含まれる。また、共振器の数、その他の共振器同士の結合のとり方によって様々なパターンが考えられるが、フィルタの入出力部に本発明の共振器励振構造を用いたものもすべて本発明の範囲に含まれる。

以上、本発明の好適な実施の形態により本発明を説明した。ここでは特定の具体例を示して本発明を説明したが、特許請求の範囲に定義された本発明の広範な趣旨および範囲から逸脱することなく、これら具体例に様々な修正および変更を加えることができることは明らかである。すなわち、具体例の詳細および添付の図面により本発明が限定されるものと解釈してはならない。

従来の容量性結合を用いた励振構造を表す平面図である。 従来の誘導性結合を用いた励振構造を表す平面図（その１）である。 従来の誘導性結合を用いた励振構造を表す平面図（その２）である。 従来の誘導性結合を用いた励振構造における外部結合量の調整方法の例を示す図である。 図４における励振線側空隙幅と外部結合量および共振周波数の関係を示す図である。 本発明の第１の実施形態にかかる励振構造を表す平面図である。 図６における地導体間空隙幅と外部結合量および共振周波数の関係を示す図である。 本発明の第２の実施形態にかかる励振構造を表す平面図である。 本発明の第３の実施形態にかかる励振構造を表す平面図である。 本発明の第４の実施形態にかかる励振構造を表す平面図である。 本発明の第５の実施形態にかかる励振構造を表す平面図である。 本発明の第６の実施形態にかかる励振構造を表す平面図である。 本発明の第７の実施形態にかかる励振構造を表す平面図である。 本発明の第８の実施形態にかかるフィルタを表す平面図である。 本発明の第９の実施形態にかかるフィルタを表す平面図である。

符号の説明

１ コプレーナ平面回路
１０ フィルタ
２、３ 地導体
４ 励振線
５ 励振部
５１ 切り落とし部
５２ 丸め部
５３ 折り返し部
５４、５５ 囲み部
６ 共振器
７ 調整部

Claims (8)

1. 両側に地導体を配したコプレーナ平面回路内における任意の回路部への結合構造であって、
   上記コプレーナ平面回路の中央に設けられた信号入出力線と、
   上記信号入出力線の一端を上記地導体の一方に短絡して形成され、上記回路部の一部に空隙部を介して対向する誘導性結合部とを備え、
   上記誘導性結合部の上記回路部と反対側に他の空隙部を隔てて存在する地導体の一部を削り空隙幅を増大することにより外部結合量を調整することを特徴とするコプレーナ平面回路内結合構造。
2. 上記誘導性結合部は上記信号入出力線の一端を曲げて上記地導体の一方に短絡して形成されることを特徴とする請求項１に記載のコプレーナ平面回路内結合構造。
3. 上記誘導性結合部の曲げ部の角を取りもしくは角を丸めたことを特徴とする請求項２に記載のコプレーナ平面回路内結合構造。
4. 上記誘導性結合部の曲げ部に上記地導体との短絡部と反対側に張り出す折り返し部を設けたことを特徴とする請求項２または３のいずれか一項に記載のコプレーナ平面回路内結合構造。
5. 上記誘導性結合部の曲げ部と上記地導体との短絡部との間に上記回路部の一部を囲んで対向する囲み部を設けたことを特徴とする請求項２に記載のコプレーナ平面回路内結合構造。
6. 両側に地導体を配したコプレーナ平面回路内における共振器の励振構造であって、
   上記コプレーナ平面回路の中央に設けられた励振線と、
   上記励振線の一端を上記地導体の一方に短絡して形成され、上記共振器の一部に空隙部を介して対向する励振部とを備え、
   上記励振部の上記共振器と反対側に他の空隙部を隔てて存在する地導体の一部を削り空隙幅を増大することにより外部結合量を調整することを特徴とする共振器励振構造。
7. 上記共振器は、λ／４スパイラル共振器、λ／４集中定数形メアンダ共振器、λ／２共振器のいずれかであることを特徴とする請求項６に記載の共振器励振構造。
8. 両側に地導体を配したコプレーナ平面回路内に１もしくは複数の共振器を配したフィルタであって、
   上記コプレーナ平面回路の中央に設けられた励振線と、
   上記励振線の一端を上記地導体の一方に短絡して形成され、初段もしくは終段の上記共振器の一部に空隙部を介して対向する励振部とを備え、
   上記励振部の上記共振器と反対側に他の空隙部を隔てて存在する地導体の一部を削り空隙幅を増大することにより外部結合量を調整することを特徴とするフィルタ。

Images