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JP4327802B2 - フィルタ及びこれを用いた無線通信装置 - Google Patents

フィルタ及びこれを用いた無線通信装置 Download PDF

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Description

本発明は、フィルタ及びこれを用いた無線通信装置に関する。
一般に、無線通信装置における帯域制限用のフィルタは、縦続配置された複数の共振器によって構成される。各々の共振器はインダクタとキャパシタを含み、損失の効果を考慮する場合には抵抗も追加される。このタイプのフィルタでは、隣接共振器間の結合量を表す共振器間結合係数と、入力部及び出力部において共振器を励振する量を表す外部Qの値を適当に決めることによって、通過域周波数範囲や阻止域の減衰量を決定することができる。
このようなフィルタとして、マイクロストリップライン型共振器を用いたフィルタが知られている。無線通信装置におけるフィルタは小型化が要求されており、マイクロストリップライン型共振器を用いたフィルタにおいても、小型化のための種々の提案がなされている。
例えば、米国特許第6,633,208 B2号明細書(特許文献1)の図11には、開放端を有する幅の広い線路対の他端間に、幅の狭い蛇行線路を接続した構造をそれぞれ持つ複数の半波長共振器を隣接させたフィルタが開示されている。幅の狭い蛇行線路は、幅の広い線路対の間に挟まれるように配置される。
一方、米国特許第5,055,809号明細書(特許文献2)には、図7乃至図15には、開放端を有する幅の広い線路対の他端間に、幅の狭い線路を接続した構造をそれぞれ持つ複数の半波長共振器を隣接させたフィルタが開示されている。幅の狭い線路は、幅の広い線路対の開放端と反対側の領域に配置される。さらに、幅の広い線路対が形成された領域の幅と、幅の狭い線路が形成された領域の幅は等しい。
米国特許第6,633,208 B2号明細書 米国特許第5,055,809号明細書
フィルタの小型化のためには、隣接共振器間の結合が容量性であることが望ましい。しかし、引用文献1のフィルタは幅の広い線路対と幅の狭い線路が共振器の配列方向に隣接しているため、共振器の配列方向におけるフィルタの全長が大きくなり、小型化に限界がある。
特許文献2のフィルタでは、小型化のために隣接共振器を近接させると、隣接共振器間で幅の広い線路対によって生じる容量性の結合と、幅の狭い線路によって生じる誘導性の結合が同程度の値となる。この結果、容量性の結合と誘導性の結合が互いに打ち消すように働くことで、寸法精度による結合係数のずれが大きくなってしまう。結合係数の値がずれるとフィルタ特性は劣化するため、製作時の特性ばらつきが大きくなる。
本発明は、小型化に適しかつ隣接共振器間の距離変化に対する結合係数のずれを小さくして特性ばらつきの小さなフィルタ及びこれを用いた無線通信装置を提供することを目的とする。
本発明の第1の態様によると、マイクロストリップ線路によりそれぞれ形成され、第1方向に隣接する第1共振器及び第2共振器を含み、前記第1共振器及び第2共振器は、第1領域に前記第1方向と直交する第2方向に沿って形成され、開放端及び他端をそれぞれ有する第1の幅の一対の第1線路と、前記第2方向において前記第1領域と隣接する第2領域に配置され、前記一対の第1線路の各々の他端間に接続された、前記第1の幅より小さい第2の幅の第2線路とを備え、前記第1共振器及び第2共振器の隣り合う前記第1線路間の最短距離は、前記第1共振器及び第2共振器の隣り合う前記第2線路間の最短距離より小さく設定されているフィルタを提供する。
本発明の第2の態様によると、マイクロストリップ線路によりそれぞれ形成され、第1方向に隣接する第1共振器及び第2共振器を含み、前記第1共振器及び第2共振器は、第1領域に前記第1方向と直交する第2方向に沿って形成され、開放端及び他端をそれぞれ有する第1の幅の一対の第1線路と、前記第2方向において前記第1領域と隣接する第2領域に配置され、前記一対の第1線路の各々の他端間に接続された、前記第1の幅より小さい第2の幅の第2線路とを備え、前記第2線路の前記第1方向における長さは、前記第1線路の前記第1方向における長さより小さく設定されているフィルタを提供する。
本発明の第3の態様によると、無線周波数信号を増幅する電力増幅器と;前記電力増幅器からの出力信号を受けて帯域制限を行う第1または第2の態様によるフィルタと;前記フィルタの出力信号を受けて送信を行うアンテナと;を具備する無線通信装置を提供する。
本発明の第4の態様によると、無線周波数信号を受信するアンテナと;前記アンテナからの出力信号を受けて帯域制限を行う第1または第2の態様によるフィルタと;前記フィルタの出力信号を受けて信号を増幅する低雑音増幅器と;を具備する無線通信装置を提供する。
本発明によると、フィルタの小型化が容易で、かつ隣接共振器間の寸法精度よる結合係数の変化が小さく、フィルタの調整時間の短縮や歩留まりの向上が可能となる。
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。
図1(A)及び(B)は、本発明の一実施形態に係るフィルタの平面図及びA−A′線に沿う断面図を示している。誘電体基板101の裏面上にグランドプレーン102が形成され、誘電体基板101の表面上に入力信号を受けるための入力線路103、出力信号を取り出すための出力線路104、及び隣接した2つの半波長共振器105及び106が形成されている。入力線路103と出力線路104の各々の一端は、基板101の端部まで延出され、基板101の端部においてフィルタの外部にある回路と接続される。
誘電体基板101の材料には、例えば厚さ0.1mmから1mm程度の酸化マグネシウムやサファイア等が用いられる。グランドプレーン101、入力線路103、出力線路104、共振器105及び106は、例えば銅、銀、金のような金属、ニオブまたはニオブ錫といったような超伝導体、あるいはYBa2Cu37-xのような酸化物超伝導体といった導体材料により作られる。
このように誘電体基板101の裏面上にグランドプレーン102を形成し、基板101の表面上に導体パターンを形成した構造は、マイクロストリップ線路構造と呼ばれる。以下の説明では、基板101の表面上に形成した導体パターンそのものをマイクロストリップ線路と呼ぶことにする。
共振器105及び106は、図の横方向(矢印Xの方向)に隣接して配置され、同じ形状を有する。図1(A)の一部を拡大した図2を参照して共振器105についてのみ説明すると、共振器105は第1領域201に図の垂直方向(X方向と直交する矢印のY方向)に沿って形成された一対の第1線路111及び112と、第2領域202に形成された第2線路113を有する。第1領域201と第2領域202は、Y方向において隣接している。線路111及び112は線路113と反対側に開放端を有し、線路111の他端と線路112の他端との間に線路113が接続される。入力線路103は共振器105の線路111と結合され、出力線路104は共振器106の線路112と結合される。
線路111及び112の幅Waと線路113の幅Wbとの関係は、Wa>Wbである。共振器105及び106の各々の第1領域201間の最短距離(すなわち、共振器105の線路112と、これと隣り合う、共振器106の線路111との間の最短距離)d1と第2領域202間の最短距離(すなわち、共振器105及び106の隣り合う線路113間の最短距離)d2との関係は、d1<d2である。図1(A)及び(B)の例では、X方向における第1領域201の長さW1(線路111及び112の幅の合計2Waと線路111及び112間の距離との和)と第2の領域202の長さW2との関係は、W1>W2である。さらに、線路111,112及び113の合計の電気長は、ほぼ半波長(λ/2)であり、すなわち共振器105及び106は半波長共振器である。
次に、図1(A)及び(B)に示したフィルタの動作及び利点について説明する。図3は、図1(A)及び(B)に示したフィルタの等価回路を示している。図3において、入力端子11は入力線路103に接続され、グランド端子12はグランドプレーン102に接続される。入力端子11とグランド端子12間に与えられる入力信号は、共振器105及び106を順次通過した後、出力端子13とグランド端子14間から取り出される。出力端子13は出力線路104に接続され、グランド端子14はグランドプレーン102に接続される。
共振器105及び106は、図3に示されるように等価的にインダクタとキャパシタで表される。損失の効果を考慮する場合には、抵抗も付加される。抵抗がない場合の共振器105及び106の各々の共振周波数は、次式で表される。
0=1/sqrt(L×C) (1)
ここで、f0は共振周波数、sqrtは平方根、Lはインダクタンス、Cはキャパシタンスをそれぞれ表す。
入力端子11から初段(第1段目)の共振器105側を見た外部Q結合係数m1、出力端子13から最終段(第4段目)の共振器106側を見た外部Q結合係数m3、及び共振器105及び106間の結合量を表す共振器間結合係数m2を適当に決めることによって、フィルタの通過域周波数範囲や阻止域の減衰量を決定することができる。
図4の半波長共振器20の等価回路に示されるように、半波長共振器20の2つの開放端間にC0で示す容量性の結合を持たせることによって、共振器20の物理的な全長を短くすることができる。さらに、半波長共振器20の開放端にインピーダンスの低い幅広の線路を使うことで、開放端とグランドとの間の容量C1及びC2が大きくなり、これも共振器20の物理的な全長を短くする上で有効である。
ところで、図5に示すように半波長共振器20では2つの開放端が電圧最大点となり、共振器20の中間位置が電流最大点となる。この観点から図1(A)及び(B)に示したフィルタの共振器105及び106について考察すると、次の通りである。図6は、共振器105と共振器106間の結合の様子を示している。
共振器105及び106の各々の第1領域201間の最短距離、すなわち共振器105の線路111の開放端と共振器106の線路112の開放端間の距離はd1であり、半波長共振器の開放端である電圧最大点近傍どうしが距離d1で近接している。これにより、図5に示されるように共振器105及び106の間に容量性の結合が実現される。
一方、共振器105及び106の各々の第2領域202間の最短距離、すなわち共振器105の線路113と共振器106の線路113との距離はd2であり、半波長共振器の中間位置である電流最大点近傍どうしが近接している。これによって、図6に示されるように共振器105と共振器106との間に誘導性の結合が実現される。
前述したように、一般的に近接した2つの共振器を小型化してゆくと、容量性及び誘導性の結合が生じ、両方が打ち消し合うことで結合量(結合係数)の変化が大きくなってしまう。図7及び図8は、それぞれ容量性結合のみを持つ場合、及び容量性結合と誘導性結合の両方が存在する場合における隣接共振器間距離に対する共振器間の結合係数の計算結果を示している。
図7に示されるように、容量性結合は隣接共振器間距離に対して急激に小さくなる。これに対して、誘導性結合は隣接共振器間距離に対して小さくなる割合が小さい。図8に示されるように容量性結合と誘導性結合の係合係数の値が等しくなる点で、トータルの結合係数は零となる。このような結合係数の零点の存在により、隣接共振器間距離の変化に対する結合係数の変化量の傾きが大きくなる。
誘導性の結合は、隣接共振器とそれ以外の他の共振器との間でも生じやすいため、隣接共振間に所望の結合係数を持たせるためには、フィルタでは容量性結合のみを用いることが有効となる。図1(A)及び(B)に示したフィルタでは、隣接共振器105及び106間の容量性結合を得るための第1領域201間の最短距離d1が誘導性結合を作るための第2領域202間の最短距離d2よりも小さく設定されている。これにより、共振器105及び106間の結合係数の零点の位置を隣接共振器間距離の大きい方向にずらすことができる。このように結合係数の零点の位置をずらすことで、共振器105及び106間の距離に対する結合係数の変化の傾きを緩くすることが可能となり、フィルタ製作時の隣接共振器間の結合係数のばらつきを小さくすることができる。この結果、フィルタの調整時間の短縮及び歩留まりの向上が期待できる。
また、実際にX方向における第2領域202の長さW2を第1領域の長さW1の90%以下の範囲にすることで、一般的なフィルタを構成するために必要となる結合係数の範囲においてほぼ容量性結合のみの場合と同じ結合を実現することができる。
さらに、図1(A)及び(B)のフィルタでは、共振器105及び106の各々において幅の広い線路対111及び112が配置された第1領域201にY方向に隣接する第2領域202に幅の狭い線路113が配置されている。従って、幅の広い線路対の間に幅の狭い線路が配置された特許文献1のフィルタに比較して、X方向における占有長が小さくなり、フィルタが小型化される。
図9は、図1(A)及び(B)のフィルタに含まれる共振器を変形した例であり、図3と対比して明らかなように、線路111の幅Waと線路112の幅Wa′を異ならせている。図9の例では、Wa<Wa′としている。但し、幅Wa及びWa′と線路113の幅Wbとの関係は、Wa>Wb,Wa′>Wbである。
次に、図10〜図15を用いて本発明の他の実施形態に係るフィルタについて説明する。
図10に示すフィルタは、X方向における第1領域201の長さW1(線路111及び112の幅の合計2Waと線路112,112間の距離との和)と第2の領域202の長さW2とはほぼW1=W2となっている。線路113の形状は、X方向において非対称であると共に、共振器105と共振器106間では対称となっている。
線路111及び112の幅Waと線路113の幅Wbとの関係(Wa>Wb)、共振器105及び106の各々の第1領域201間の最短距離d1と第2領域202間の最短距離d2との関係(d1<d2)、及び、線路111,112及び113の合計の電気長がほぼ半波長である点は、先の実施形態と同様である。従って、図10のフィルタによっても図1(A)及び(B)に示したフィルタと同様の利点が得られる。
図11は、入力線路103と出力線路104との間に縦続配置された4個の共振器を有するフィルタを示している。第2段目の共振器105及び第2段目の共振器106は、図1(A)及び(B)と同様である。第1段目の共振器107及び第4段目の共振器108の各々の形状は、共振器105及び106と同様である。入力線路103は共振器107の線路111及び線路113と結合され、出力線路104は共振器108の線路112及び線路113と結合される。
一方、共振器107と共振器105との結合は、共振器107の線路112と共振器105の線路111との結合のみによって実現される。同様に、共振器108と共振器106との結合は、共振器108の線路111と共振器106の線路112との結合によってのみ実現される。
図12は、図11と同じく入力線路103と出力線路104との間に縦続配置された4個の共振器を有するフィルタを示している。但し、図12の例では第1段目の共振器107及び第4段目の共振器108の第2線路114は、第2段目の共振器105及び第3段目の共振器106の第2線路113と異なり、左右非対称の形状を有し、物理的な長さは線路113より短く設定されている。
入力線路103と第1段目の共振器107との結合及び出力線路104と第2段目の共振器108との結合は、外部Q結合と呼ばれる。広帯域のフィルタを実現する場合には小さな外部Qが必要であり、外部Q結合をとるための共振器107及び108はそれぞれ入力線路103及び出力線路104と強く結合する必要がある。強い結合を実現しようとすると、共振器の共振周波数は大幅に低下する。このため、図12の例では外部Q結合をとるための共振器107及び108における第2線路114の物理的な長さを短くすることで、共振周波数を上げている。この場合、線路111及び112の物理的な長さを一定にすることで、事前評価するパラメータを削減できる。同様の考えを拡張して、共振器を構成する線路の長さや幅を共振器毎に異ならせてもよい。図13は、図12のフィルタを変形した例であり、共振器105及び106の位置と共振器107及び108の位置を共振器の配列方向と直交する方向に少しずらせている。
一般的に、図12及び図13に示すように3つ以上の共振器を用いてフィルタを形成する場合、隣接共振器間の結合の大きさを異ならせるために、結合の大きさに合わせて共振器の形状を変更することが必要となる。共振器が2つの場合には、前述のとおり共振器の形状は同じでよい。
図14及び図15は、共振器のさらなる変形例を示している。図14の共振器は、第2線路113が1回だけ折り返された単純な形状とされている。図15の共振器は、第2線路113が縦方向に数回折り返した場合の例である。このように第2線路113の形状については、図1(A)及び(B)で説明したように共振器105及び106の各々の第1領域間201の最短距離が各々の第2領域202間の最短距離より小さい範囲、あるいはさらにX方向において線路113が配置される第2領域202の長さが第1線路111及び112が配置される第1領域201の長さより小さい範囲で種々変形することが可能である。
次に、フィルタを無線通信装置に応用した例を図16および図17により説明する。図16は、無線通信装置の送信部を概略的に示している。送信すべきデータ500は信号処理回路501に入力され、ディジタル−アナログ変換、符号化及び変調などの処理が施されることにより、ベースバンドあるいは中間周波数 (Intermediate Frequency;IF)帯の送信信号が生成される。信号処理回路501からの送信信号は周波数変換器(ミキサ)502に入力され、ローカル信号発生器503からのローカル信号と乗算されることによって、無線周波数 (Radio Frequency;RF)帯の信号に周波数変換、すなわちアップコンバートされる。
ミキサ502から出力されるRF信号は電力増幅器504によって増幅された後、帯域制限フィルタ(送信フィルタ)505に入力され、このフィルタ505で帯域制限を受けて不要な周波数成分が除去された後、アンテナ506に供給される。ここで、帯域制限フィルタ505にこれまでの実施形態で説明したフィルタを用いることができる。
図17は、無線通信装置の受信部を概略的に示している。アンテナで受信した信号は帯域制限フィルタ(受信フィルタ)508に入力され、このフィルタ508で帯域制限を受けて不要な周波数成分が除去された後、低雑音増幅器507に入力される。低雑音増幅器507で増幅された後、ミキサ502に入力され、ローカル信号と乗算されることによって、ベースバンドあるいは中間周波数に変換される。低い周波数となった信号は信号処理回路501に入力され、復調処理が施されることにより、受信データ509を出力する。ここで、帯域制限フィルタ508にこれまでの実施形態で説明したフィルタを用いることができる。
なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。
本発明の一実施形態に係るフィルタの平面図及びA−A′線に沿う断面図 図1(A)及び(B)に示したフィルタの等価回路を示す図 図1(A)及び(B)に示したフィルタに含まれる共振器を拡大して示す平面図 マイクロストリップライン型半波長共振器の小型化のための等価回路を示す図 マイクロストリップライン型半波長共振器における電流分布及び電圧分布を示す図 図1(A)及び(B)に示したフィルタにおける隣接共振器間の容量性結合及び誘導性結合について説明する図 隣接共振器が容量性結合のみを持つ場合の隣接共振器間距離に対する結合係数の計算結果を示す図 隣接共振器が容量性結合と誘導性結合を持つ場合の隣接共振器間距離に対する結合係数の計算結果を示す図 図3の共振器の変形例の平面図 本発明の他の実施形態に係るフィルタの平面図 本発明の他の実施形態に係るフィルタの平面図 本発明の他の実施形態に係るフィルタの平面図 本発明の他の実施形態に係るフィルタの平面図 本発明の実施形態に係るフィルタに含まれる共振器の他の例を示す平面図 本発明の実施形態に係るフィルタに含まれる共振器の他の例を示す平面図 本発明の実施形態に係るフィルタを用いた無線通信装置の送信部の一例を示すブロック図 本発明の実施形態に係るフィルタを用いた無線通信装置の受信部の一例を示すブロック図
符号の説明
101・・・誘電体基板;
102・・・グランドプレーン;
103・・・入力線路;
104・・・出力線路;
105−108・・・共振器;
111,112・・・第1線路;
113,114・・・第2線路:
201・・・第1領域;
202・・・第2領域;
501・・・信号処理回路;
502・・・周波数変換器;
503・・・ローカル信号発生器;
504・・・電力増幅器;
505・・・帯域制限フィルタ;
506・・・アンテナ
507・・・低雑音増幅器;
508・・・帯域制限フィルタ;

Claims (9)

  1. マイクロストリップ線路によりそれぞれ形成され、第1方向に隣接する第1共振器及び第2共振器を含むフィルタにおいて、
    前記第1共振器及び第2共振器は、
    第1領域に前記第1方向と直交する第2方向に沿って形成され、開放端及び他端をそれぞれ有する第1の幅の一対の第1線路と、前記第2方向において前記第1領域と隣接する第2領域に配置され、前記一対の第1線路の各々の他端間に接続された、前記第1の幅より小さい第2の幅の第2線路とを備え、
    前記第1共振器及び第2共振器の前記第1領域は前記第1方向で隣接し、前記第1共振器及び第2共振器の前記第2領域も前記第1方向で隣接しており、
    前記第1共振器及び第2共振器の隣り合う前記第1線路間の最短距離は、前記第1共振器及び第2共振器の隣り合う前記第2線路間の最短距離より小さく設定されていることを特徴とするフィルタ。
  2. マイクロストリップ線路によりそれぞれ形成され、第1方向に隣接する第1共振器及び第2共振器を含むフィルタにおいて、
    前記第1共振器及び第2共振器は、
    第1領域に前記第1方向と直交する第2方向に沿って形成され、開放端及び他端をそれぞれ有する第1の幅の一対の第1線路と、前記第2方向において前記第1領域と隣接する第2領域に配置され、前記一対の第1線路の各々の他端間に接続された、前記第1の幅より小さい第2の幅の第2線路とを備え、
    前記第1共振器及び第2共振器の前記第1領域は前記第1方向で隣接し、前記第1共振器及び第2共振器の前記第2領域も前記第1方向で隣接しており、
    前記第2領域の前記第1方向における長さは、前記第1領域の前記第1方向における長さより小さく設定されていることを特徴とするフィルタ。
  3. 前記第2領域の前記第方向における長さは、前記第1領域の前記第方向における長さの90%以下である請求項2記載のフィルタ。
  4. 前記第2線路の長さは、前記第1共振器と第2共振器とで異なる請求項1または2に記載のフィルタ。
  5. 前記一対の第1線路及び前記第2線路の合計の電気長はほぼ半波長である請求項1又は2に記載のフィルタ。
  6. 入力信号を受ける入力線路及び出力信号を取り出す出力線路をさらに具備し、前記入力線路と出力線路との間に前記第1共振器及び第2共振器を含む複数の共振器が縦続配置される請求項1または2に記載のフィルタ。
  7. 入力信号を受ける入力線路及び出力信号を取り出す出力線路をさらに具備し、前記入力線路に一つの前記第1共振器が接続され、前記出力線路に一つの前記第2共振器が接続されるように、前記入力線路と出力線路との間に複数の前記第1共振器及び第2共振器を含む複数の共振器が縦続配置され、
    前記入力線路に接続される一つの第1共振器及び前記出力線路に接続される一つの第2共振器における前記第2線路の長さは、他の第1共振器及び第2共振器における前記第2線路の長さより短く設定される請求項1または2に記載のフィルタ。
  8. 無線周波数信号を増幅する電力増幅器と;
    前記電力増幅器からの出力信号を受けて帯域制限を行う請求項1または2のいずれか1項記載のフィルタと;
    前記フィルタの出力信号を受けて送信を行うアンテナと;を具備する無線通信装置。
  9. 無線周波数信号を受信するアンテナと;
    前記アンテナからの出力信号を受けて帯域制限を行う請求項1または2のいずれか1項記載のフィルタと;
    前記フィルタの出力信号を受けて信号を増幅する低雑音増幅器と;を具備する無線通信装置。
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