JP3562442B2 - デュアルモード・バンドパスフィルタ - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えばマイクロ波〜ミリ波帯の通信機において帯域フィルタとして用いられるデュアルモード・バンドパスフィルタに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、高周波領域で用いられるバンドパスフィルタとして、デュアルモード・バンドパスフィルタが種々提案されている（ＭＩＮＩＡＴＵＲＥ ＤＵＡＬ ＭＯＤＥ ＭＩＣＲＯＳＴＲＩＰ ＦＩＬＴＥＲＳ， Ｊ．Ａ． Ｃｕｒｔｉｓ ａｎｄ Ｓ．Ｊ． Ｆｉｅｄｚｉｕｓｚｋｏ， １９９１ ＩＥＥＥ ＭＴＴ−Ｓ Ｄｉｇｅｓｔなど）。
【０００３】
図１３及び図１４は、従来のデュアルモード・バンドパスフィルタを説明するための各模式的平面図である。
図１３に示すバンドパスフィルタ２００では、誘電体基板（図示せず）上に円形の導電膜２０１が形成されている。この導電膜２０１に、互いに９０°の角度をなすように、入出力結合回路２０２及び入出力結合回路２０３が結合されている。そして、上記入出力結合回路２０３が配置されている部分に対して中心角４５°の角度をなす位置に、先端開放スタブ２０４が形成されている。これによって共振周波数が異なる２つの共振モードが結合され、バンドパスフィルタ２００は、デュアルモード・バンドパスフィルタとして動作するように構成されている。 また、図１４に示すデュアルモード・バンドパスフィルタ２１０では、誘電体基板上に正方形の導電膜２１１が形成されている。この導電膜２１１に、互いに９０°の角度をなすように、入出力結合回路２１２，２１３が結合されている。また、入出力結合回路２１３に対して１３５°の位置のコーナー部が欠落されている。欠落部分２１１ａを設けることにより、２つの共振モードの共振周波数が異ならされており、該２つのモードの共振が結合されて、バンドパスフィルタ２１０は、デュアルモード・バンドパスフィルタとして動作する。
【０００４】
他方、円形の導電膜に代えて、円環状の導電膜を用いたデュアルモードフィルタも提案されている（特開平９−１３９６１２号公報、特開平９−１６２６１０号公報など）。すなわち、円環状のリング伝送路を用い、図１３に示したデュアルモード・バンドパスフィルタと同様に、中心角９０°の角度をなすように入出力結合回路を配置し、かつリング状伝送路の一部に先端開放スタブを設けてなるデュアルモードフィルタが開示されている。
【０００５】
また、特開平６−１１２７０１号公報にも、同様のリング状伝送路を用いたデュアルモードフィルタが開示されている。図１５に示すように、このデュアルモードフィルタ２２１では、誘電体基板上に円環状の導電膜２２２が形成されているリング共振器が構成されている。ここでは、円環状の導電膜２２２に対して、互いに９０°をなすように４個の端子２２３〜２２６が構成されている。４個の端子のうち、互いに９０°の角度をなす位置に配置された２個の端子２２３，２２４が入出力結合回路２２７，２２８に結合されており、残りの２個の端子２２５，２２６が帰還回路２３０を介して接続されている。
【０００６】
上記構成により、１つのストリップ線路からなるリング共振器において、互いに結合しない直交モード共振を生じさせ、上記帰還回路２３０により結合度を制御することが可能である旨が記載されている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
図１３及び図１４に示した従来のデュアルモード・バンドパスフィルタでは、１つの導電膜パターンを形成することにより２段のバンドパスフィルタを構成することができ、従ってバンドパスフィルタの小型化を図り得る。
【０００８】
しかしながら、円形や正方形の導電膜パターンにおいて、上記特定の角度を隔てて入出力結合回路を結合する構成を有するため、結合度を大きくすることができず、広い通過帯域を得ることができないという欠点があった。
【０００９】
また、図１３に示されているバンドパスフィルタでは、導電膜２０１が円形であり、図１４に示すバンドパスフィルタでは、導電膜２１１が正方形と形状が限定されている。従って、設計の自由度が低いという問題もあった。
【００１０】
また、特開平９−１３９６１２号公報や特開平９−１６２６１０号公報に記載のようなリング状共振器を用いたデュアルモードバンドパスフィルタにおいても、同様に結合度を大きくすることが困難であり、かつリング状共振器の形状が限定されるという問題があった。
【００１１】
他方、前述した特開平６−１１２７０１号公報に記載のデュアルモードフィルタ２２１では、帰還回路２３０を用いることにより、結合度の調整が行われ、広帯域化が図られるとされている。しかしながら、この先行技術に記載のデュアルモードフィルタでは、帰還回路２３０が必要であり、回路構成が煩雑化するという問題があった。加えて、やはり、リング状共振器の形状が円環状と限定され、設計の自由度が低いという問題があった。
【００１２】
本発明の目的は、上述した従来技術の欠点を解消し、小型化を図り得るだけでなく、結合度を大きくすることができ、さらに結合度の調整が容易であり、広い通過帯域を容易に実現することができ、さらに設計の自由度に優れたデュアルモード・バンドパスフィルタを提供することにある。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本願発明の広い局面によれば、第１，第２の主面を有する誘電体基板と、前記誘電体基板の第１の主面または誘電体基板のある高さ位置において部分的に形成された金属膜と、前記金属膜と誘電体基板層を介して対向するように、誘電体基板の第２の主面または誘電体基板内に形成された少なくとも１つのグラウンド電極と、前記金属膜に異なる部分で結合された一対の入出力結合回路とを備え、前記金属膜において生じる、共振周波数の異なる２つの共振モードが結合するように、前記金属膜とグラウンド電極とが対向されている部分において、金属膜をグラウンド電極に投影した部分の外周に沿って前記グラウンド電極に貫通孔または切欠が形成されていることを特徴とする、デュアルモード・バンドパスフィルタが提供される。
【００１６】
本発明では、２つの共振モードが結合するように、金属膜とグラウンド電極とが対向されている部分において、グラウンド電極に貫通孔または切欠が形成されている。すなわち、一対の入出力結合回路の金属膜への結合転換を結ぶ下層線と略平行な方向並びに該下層線に直交する方向の２つの方向に伝搬する共振モードが生じるが、一方の共振モードが上記貫通孔または切欠により影響を受けて、その共振周波数が変動する。すなわち、上記貫通孔または切欠が、一方の共振モードを他方の共振モードと結合させるように、一方の共振モードの共振電界または共振電流に影響を与えるように形成されている。従って、上記貫通孔または切欠により、２つの共振モードが結合されて、デュアルモード・バンドパスフィルタとして動作する。
【００１７】
本発明の特定の局面では、前記誘電体基板の第１の主面に金属膜が形成されており、第２の主面にグラウンド電極が形成されている。
本発明に係るデュアルモード・バンドパスフィルタのさらに他の特定の局面では、前記金属膜が、長手方向と短手方向とを有する形状である。
【００１８】
本発明のさらに別の特定の局面では、前記金属膜の平面形状が、長方形、菱形、正多角形、円形または楕円形である。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の具体的な実施例を説明することにより、本発明を明らかにする。
【００２０】
図１は、本発明とは異なるが、本発明の参考例に係るデュアルモード・バンドパスフィルタを説明するための斜視図であり、図２はその要部を模式的に示す平面図である。
デュアルモード・バンドパスフィルタ１は、矩形板状の誘電体基板２を有する。誘電体基板２の上面には、共振器を構成するためにＣｕからなる金属膜３が形成されている。金属膜３は、誘電体基板２上において部分的に形成されている。金属膜３は、本参考例では長方形の形状を有する。すなわち、金属膜３は、長手方向と短手方向とを有する形状である。
【００２１】
本参考例では、金属膜３は、長辺の長さが１．６ｍｍ、短辺の長さが１．４ｍｍとされている。
もっとも、金属膜３の寸法は、これに限定されず、所望とする中心周波数と帯域幅に応じて適宜変更し得る。
【００２２】
誘電体基板２の上面においては、金属膜３に、短辺３ａ，３ｂと所定のギャップを隔てて入出力結合回路５，６が結合されている。入出力結合回路５，６は、金属膜３に結合される部分である入出力容量形成用パターン５ａ，６ａと、入出力容量形成用パターン５ａ，６ａに接続されたマイクロストリップライン５ｂ，６ｂとを有する。
【００２３】
なお、入出力結合回路５，６の金属膜３への結合点については異なる部分である限り図示の位置に限定されない。
誘電体基板２の下面には、全面にグラウンド電極４が形成されている。
【００２４】
本参考例のバンドパスフィルタ１では、誘電体基板２が一様に構成されておらず、比誘電率が異なる誘電体基板層部分を有する。すなわち、金属膜３とグラウンド電極４とが誘電体基板２を対向している領域のうち、相対的に比誘電率が大きな部分２ａ，２ｂが形成されている。この比誘電率が大きな部分２ａ，２ｂは、本参考例では、比誘電率εｒ＝１７とされており、残りの誘電体基板部分の比誘電率がεｒ＝７とされている。比誘電率の高い部分２ａ，２ｂは、長方形の金属膜３の長辺３ｃ，３ｄの中央付近において、該長辺３ｃ，３ｄに沿うように形成されている。また、比誘電率の高い部分２ａ，２ｂは、その平面形状が長方形であり、かつ誘電体基板２の厚み方向において、誘電体基板２の上面から下面に至るように形成されている。
【００２５】
比誘電率の高い部分２ａ，２ｂと、残りの部分とを有するように誘電体基板２を構成する方法については特に限定されず、誘電体基板２を得た後に、誘電体基板部分２ａ，２ｂが設けられる部分に貫通孔を形成し、該貫通孔に比誘電率の高い誘電体材料を充填することにより形成することができる。あるいは、矩形の誘電体基板を得た後に、比誘電率の相対的に高い部分２ａ，２ｂに相当する部分に基板の構成材料と反応する元素を塗布し、熱拡散させることにより比誘電率の高い部分２ａ，２ｂを形成してもよい。
【００２６】
本参考例では、誘電体基板２は、Ｍｇ、Ｓｉ、Ａｌなどの酸化物からなり、比誘電率の相対的に高い部分２ａ，２ｂは、Ｍｇ、Ｓｉ、Ａｌなどの酸化物に加えてＣａあるいはＴｉの酸化物が付加されている。
【００２７】
また、上記比誘電率の相対的に高い部分２ａ，２ｂの平面形状は長方形であるが、その短辺は２００μｍ、長辺が６００μｍの寸法を有するように構成されている。
【００２８】
本参考例のデュアルモード・バンドパスフィルタ１では、入出力結合回路５，６の一方とグラウンド電極４との間に入力電圧を印加することにより、入出力結合回路５，６の他方とグラウンド電極４との間で出力が取り出される。この場合、金属膜３が長方形の形状を有し、上記比誘電率の相対的に高い部分２ａ，２ｂが形成されているので、２つのモードの共振が結合され、デュアルモード・バンドパスフィルタとして動作する。これは、上記相対的に比誘電率の高い部分２ａ，２ｂが、金属膜３において生じる２つの共振を結合するように構成されているためである。これを、図３〜図７を参照して説明する。
【００２９】
図３は、比較のために用意した共振器５１を示す斜視図である。共振器５１では、比誘電率の相対的に高い部分２ａ，２ｂが設けられていないことを除いては、上記参考例のデュアルモード・バンドパスフィルタ１と同様に構成されている。この共振器５１の周波数特性を図４に示す。
【００３０】
図４の実線Ａ及び破線Ｂは、共振器５１の反射特性及び通過特性をそれぞれ示す。
図４から明らかなように、矢印Ｃ，矢印Ｄで示す２つの共振が現れているものの、２つの共振が離れか周波数位置に現れており、結合されていない。共振器５１では、金属膜３に結合されている入出力結合回路５，６の結合点を結ぶ方向と平行な方向、すなわち金属膜３の長辺方向に沿う共振と、該長辺と直交する方向すなわち短辺方向に沿う共振とが生じる。図４の矢印Ｃで示す共振は、上記長辺方向に沿う共振であり、矢印Ｄで示す共振は短辺方向に沿う共振である。
【００３１】
図４から明らかなように、２つの共振は異なる周波数位置に現れており、結合していない。すなわち、バンドパスフィルタとして動作しない。
本願発明者らは、上記共振器５１における共振電界を電磁界シュミレーター（ヒューレットパッカード社製、品番：ＨＦＳＳ）を用いて測定したところ、図５及び図６に示す結果が得られた。
【００３２】
すなわち、共振Ｃでは、図５の破線Ｅで示す部分、すなわち長辺３ｃ，３ｄの両側において短辺３ａ，３ｂに沿う部分が共振電界が強くなることが確かめられた。
【００３３】
他方、短辺方向に沿う共振の場合には、図６に破線Ｆで示すように、金属膜３の長辺３ｃ，３ｄ近傍において共振電界が強くなることが確かめられた。
本願発明者らは、上記共振電界分布を考慮した結果、一方の共振に際しての共振電界を調整し、それによって共振Ｃ，共振Ｄの共振周波数を近づければ、バンドパスフィルタを構成し得ることを見い出した。
【００３４】
上記参考例のデュアルモード・バンドパスフィルタ１では、上記のような知見のもとに、長辺３ｃ，３ｄの略中央付近において、上記比誘電率の相対的に高い部分２ａ，２ｂを形成することにより、短辺方向に沿う共振、すなわち図４に示した共振Ｄの共振周波数を低下させ、２つの共振が結合されている。言い換えれば、２つの共振が結合するように、比誘電率の相対的に高い部分２ａ，２ｂが形成されている。
【００３５】
図７に、本参考例のデュアルモード・バンドパスフィルタ１の周波数特性を示す。図７の実線Ｇが反射特性を、破線Ｈが通過特性を示す。また、比較のために、前述した共振器５１の周波数特性も実線Ａ及び破線Ｂで併せて示す。
【００３６】
図７から明らかなように、本参考例のデュアルモード・バンドパスフィルタ１では、２つの共振が結合し、バンドパスフィルタとして動作し得ることがわかる。
【００３７】
本参考例のデュアルモード・バンドパスフィルタ１では、上記比誘電率が相対的に高い部分２ａ，２ｂの残りの部分との比誘電率差、比誘電率が相対的に高い部分２ａ，２ｂの平面形状及び該平面形状の面積を調整することにより、短辺方向に伝搬する共振の共振周波数を容易に調整することかでき、それによって２つの共振を確実に結合することができるとともに、所望とする帯域幅のバンドパスフィルタ特性を容易に得ることができる。
【００３８】
なお、上記参考例では、長辺側中央に比誘電率が相対的に高い部分２ａ，２ｂを設けたが、短辺側に比誘電率が残りの誘電体基板部分と異なる部分を設けてもよい。その場合には、長辺に沿って伝搬する共振の共振周波数が影響を受けることになるため、短辺側に比誘電率が異なる部分として、残りの部分に比べて比誘電率が相対的に低い部分を設ければよい。
【００３９】
図８は、金属膜３の短辺３ａ，３ｂ側に、比誘電率が相対的に低い部分が設けられた参考例の変形例を示す模式的平面図である。
本変形例のデュアルモード・バンドパスフィルタ１１では、金属膜３の下方において、誘電体基板２に空洞２ｃ，２ｄが設けられている。空洞２ｃ，２ｄは、金属膜３とグラウンド電極とが対向されている領域において、金属膜３の短辺３ａ，３ｂに沿うように短辺略中央に設けられている。空洞２ｃ，２ｄは、その平面形状が略長方形の形状とされており、該長方形の短辺が２００μｍ、長辺が６００μｍの寸法を有する。また、空洞２ｃ，２ｄは、誘電体基板２を上面から下面に貫くように形成されている。もっとも、空洞２ｃ，２ｄは、必ずしも貫通する必要はない。
【００４０】
空洞２ｃ，２ｄにおける比誘電率は空気の比誘電率となるため、εｒ＝１である。
本変形例のデュアルモード・バンドパスフィルタ１１の周波数特性を図９に示す。図９において実線Ｉが反射特性を、破線Ｊが通過特性を示す。比較のために、前述した共振器５１の周波数特性を併せて実線Ａ及び破線Ｂで示す。
【００４１】
図９から明らかなように、本変形例によれば、金属膜３の短辺側において上記空洞２ｃ，２ｄが誘電体基板２に設けられているので、長辺方向に伝搬する共振の共振電界が影響を受け、共振Ｃの共振周波数が高められて、２つの共振が結合し、バンドパスフィルタとして動作することがわかる。
【００４２】
図１０及び図１１は、本発明の実施例に係るバンドパスフィルタの要部を示す模式的平面図及び底面図である。本実施例のバンドパスフィルタ２１では、誘電体基板２２として、厚み３００μｍであり、比誘電率εｒ＝７のＭｇ、Ｓｉ、Ａｌの酸化物からなるものが用いられている。誘電体基板２２の上面には、金属膜３及び入出力結合回路５，６が参考例と同様に構成されている。また、図１１に示すように、誘電体基板２の下面にはグラウンド電極４が形成されている。本実施例の特徴は、グラウンド電極４において、貫通孔４ａ，４ｂが形成されていることにある。
【００４３】
すなわち、貫通孔４ａ，４ｂは、金属膜３とグラウンド電極４とが対向している領域において、２つの共振を結合するように設けられている。本実施例では、貫通孔４ａ，４ｂは、金属膜３を下方に投影した場合の短辺３ａ，３ｂが位置している部分に沿うように、平面形状が長方形の貫通孔４ａ，４ｂが形成されている。
【００４４】
従って、デュアルモード・バンドパスフィルタ２１では、金属膜３の長辺方向に伝搬する共振の共振電界が強く現れる部分が貫通孔４ａ，４ｂにより影響を受け、図８に示した参考例の変形例と同様に、金属膜３の長辺方向に伝搬する共振Ｃの共振周波数が高められる。そして、貫通孔４ａ，４ｂが、上記共振Ｃと共振Ｄとが結合するように、その大きさが定められている。本実施例では、貫通孔４ａ，４ｂの一方が、長辺０．８ｍｍ、短辺０．４ｍｍとされている。
【００４５】
本実施例のデュアルモード・バンドパスフィルタ２１の周波数特性を図１２に実線Ｋ及び破線Ｌで示す。実線Ｋが反射特性を、破線Ｌが通過特性を示す。比較のために、共振器５１の周波数特性を図１２に併せて示す。図１２から明らかなように、本実施例においても、貫通孔４ａ，４ｂの形成により２つの共振が結合されることがわかる。
【００４６】
なお、参考例及び参考例の変形例では誘電体基板に、共振電界を制御するために比誘電率が残りの部分と異なる部分を設け、本実施例では、グラウンド電極に貫通孔を設けたが、これらの方法を併用してもよい。すなわち、参考例と本実施例とを組み合わせてもよい。
【００４７】
また、実施例では、金属膜３は長方形の形状を有していたが、金属膜３の形状については特に限定されず、任意の形状とすることができる。もっとも、異なる共振周波数の２つの共振モードを発生させるには、長手方向と短手方向とを有する金属膜を用いることが望ましい。
【００４８】
また、金属膜の具体的な平面形状としては、長方形、菱形、正多角形、円形または楕円形など様々な形状とすることができる。
また、実施例では、誘電体基板２の上面に金属膜３が形成されていたが、金属膜３は、誘電体基板のある高さ位置に形成されていもよい。同様に、グラウンド電極についても、金属膜３と誘電体基板層を介して対向され得る限り、誘電体基板２の下面に形成される必要は必ずしもなく、誘電体基板内に形成されていてもよい。
【００４９】
さらに、誘電体基板２の中間高さ位置に金属膜を形成し、誘電体基板の上面及び下面にグラウンド電極を形成することにより、トリプレート構造を有するデュアルモード・バンドパスフィルタを構成してもよい。
【００５０】
【発明の効果】
【００５４】
本発明に係るデュアルモード・バンドパスフィルタでは、誘電体基板に共振器を構成するための金属膜が形成されており、該金属膜に入出力結合回路が結合されて共振周波数の異なる２つの共振モードが生じるように構成されている。そして、該２つの共振モードが結合するように、金属膜とグラウンド電極とが対向されている部分において、金属膜をグラウンド電極に投影した部分の外周に沿ってグラウンド電極に切欠が形成されている。従って、第１の発明と同様に、２つの共振モードが結合されて、デュアルモード・バンドパスフィルタとしての特性が得られる。
【００５５】
共振器を構成する金属膜の形状や入出力結合回路の結合点の位置の制約がなく、従って、デュアルモード・バンドパスフィルタの設計の自由度を大幅に高め得る。
【００５６】
しかも、上記グラウンド電極に設けられる貫通孔または切欠の形状、入出力結合回路の結合点の位置あるいは金属膜の寸法を変更することにより、帯域幅を大幅に調整することができる。
【００５７】
よって、本発明によれば、所望とする帯域幅のデュアルモード・バンドパスフィルタを容易に提供することができる。
本発明において、誘電体基板の第１の主面に金属膜が形成されており、第２の主面にグラウンド電極が形成されている場合には、誘電体基板の両面に導電膜を形成することにより、本発明に係るデュアルモード・バンドパスフィルタを容易に構成することができる。
【００５８】
上記金属膜が、長手方向と短手方向とを有する形状の場合には、共振周波数が異なる２つの共振モードを容易に発生させることができる。
もっとも、金属膜の平面形状は特に限定されないため、本発明では、様々な形状の金属膜を用いたデュアルモード・バンドパスフィルタを提供することができ、例えば、長方形、菱形、正多角形、円形または楕円形等の任意の形状とすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】参考例のデュアルモード・バンドパスフィルタの斜視図。
【図２】参考例のデュアルモード・バンドパスフィルタの要部を示す模式的平面図。
【図３】比較のために用意した共振器を説明するための斜視図。
【図４】図３に示した共振器の周波数特性を示す図。
【図５】図３に示した共振器において、金属膜の長辺方向に沿う共振の際に共振電界が強く現れる部分を説明するための模式的平面図。
【図６】図３に示した共振器において、金属膜の短辺方向に沿う共振の際に共振電界が強く現れる部分を説明するための模式的平面図。
【図７】参考例及び比較のために用意した共振器の周波数特性を示す図。
【図８】参考例の変形例に係るデュアルモード・バンドパスフィルタを説明するための模式的平面図。
【図９】図８に示した変形例及び図３に示した共振器の周波数特性を示す図。
【図１０】実施例に係るデュアルモード・バンドパスフィルタの要部を示す模式的平面図。
【図１１】実施例のデュアルモード・バンドパスフィルタの底面図。
【図１２】実施例のデュアルモード・バンドパスフィルタ及び比較のために用意した共振器の周波数特性を示す図。
【図１３】従来のデュアルモード・バンドパスフィルタの一例を示す模式的平面図。
【図１４】従来のデュアルモード・バンドパスフィルタの他の例を示す模式的平面図。
【図１５】従来のデュアルモード・バンドパスフィルタのさらに他の例を示す模式的平面図。
【符号の説明】
１…デュアルモード・バンドパスフィルタ
２…誘電体基板
２ａ，２ｂ…比誘電率が相対的に高い部分
２ｃ，２ｄ…空洞
３…共振器を構成する金属膜
３ａ，３ｂ…短辺
３ｃ，３ｄ…長辺
４…グラウンド電極
４ａ，４ｂ…貫通孔
５，６…入出力結合回路
１１…デュアルモード・バンドパスフィルタ
２１…デュアルモード・バンドパスフィルタ
２２…誘電体基板
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えばマイクロ波〜ミリ波帯の通信機において帯域フィルタとして用いられるデュアルモード・バンドパスフィルタに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、高周波領域で用いられるバンドパスフィルタとして、デュアルモード・バンドパスフィルタが種々提案されている（ＭＩＮＩＡＴＵＲＥ ＤＵＡＬ ＭＯＤＥ ＭＩＣＲＯＳＴＲＩＰ ＦＩＬＴＥＲＳ， Ｊ．Ａ． Ｃｕｒｔｉｓ ａｎｄ Ｓ．Ｊ． Ｆｉｅｄｚｉｕｓｚｋｏ， １９９１ ＩＥＥＥ ＭＴＴ−Ｓ Ｄｉｇｅｓｔなど）。
【０００３】
図１３及び図１４は、従来のデュアルモード・バンドパスフィルタを説明するための各模式的平面図である。
図１３に示すバンドパスフィルタ２００では、誘電体基板（図示せず）上に円形の導電膜２０１が形成されている。この導電膜２０１に、互いに９０°の角度をなすように、入出力結合回路２０２及び入出力結合回路２０３が結合されている。そして、上記入出力結合回路２０３が配置されている部分に対して中心角４５°の角度をなす位置に、先端開放スタブ２０４が形成されている。これによって共振周波数が異なる２つの共振モードが結合され、バンドパスフィルタ２００は、デュアルモード・バンドパスフィルタとして動作するように構成されている。 また、図１４に示すデュアルモード・バンドパスフィルタ２１０では、誘電体基板上に正方形の導電膜２１１が形成されている。この導電膜２１１に、互いに９０°の角度をなすように、入出力結合回路２１２，２１３が結合されている。また、入出力結合回路２１３に対して１３５°の位置のコーナー部が欠落されている。欠落部分２１１ａを設けることにより、２つの共振モードの共振周波数が異ならされており、該２つのモードの共振が結合されて、バンドパスフィルタ２１０は、デュアルモード・バンドパスフィルタとして動作する。
【０００４】
他方、円形の導電膜に代えて、円環状の導電膜を用いたデュアルモードフィルタも提案されている（特開平９−１３９６１２号公報、特開平９−１６２６１０号公報など）。すなわち、円環状のリング伝送路を用い、図１３に示したデュアルモード・バンドパスフィルタと同様に、中心角９０°の角度をなすように入出力結合回路を配置し、かつリング状伝送路の一部に先端開放スタブを設けてなるデュアルモードフィルタが開示されている。
【０００５】
また、特開平６−１１２７０１号公報にも、同様のリング状伝送路を用いたデュアルモードフィルタが開示されている。図１５に示すように、このデュアルモードフィルタ２２１では、誘電体基板上に円環状の導電膜２２２が形成されているリング共振器が構成されている。ここでは、円環状の導電膜２２２に対して、互いに９０°をなすように４個の端子２２３〜２２６が構成されている。４個の端子のうち、互いに９０°の角度をなす位置に配置された２個の端子２２３，２２４が入出力結合回路２２７，２２８に結合されており、残りの２個の端子２２５，２２６が帰還回路２３０を介して接続されている。
【０００６】
上記構成により、１つのストリップ線路からなるリング共振器において、互いに結合しない直交モード共振を生じさせ、上記帰還回路２３０により結合度を制御することが可能である旨が記載されている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
図１３及び図１４に示した従来のデュアルモード・バンドパスフィルタでは、１つの導電膜パターンを形成することにより２段のバンドパスフィルタを構成することができ、従ってバンドパスフィルタの小型化を図り得る。
【０００８】
しかしながら、円形や正方形の導電膜パターンにおいて、上記特定の角度を隔てて入出力結合回路を結合する構成を有するため、結合度を大きくすることができず、広い通過帯域を得ることができないという欠点があった。
【０００９】
また、図１３に示されているバンドパスフィルタでは、導電膜２０１が円形であり、図１４に示すバンドパスフィルタでは、導電膜２１１が正方形と形状が限定されている。従って、設計の自由度が低いという問題もあった。
【００１０】
また、特開平９−１３９６１２号公報や特開平９−１６２６１０号公報に記載のようなリング状共振器を用いたデュアルモードバンドパスフィルタにおいても、同様に結合度を大きくすることが困難であり、かつリング状共振器の形状が限定されるという問題があった。
【００１１】
他方、前述した特開平６−１１２７０１号公報に記載のデュアルモードフィルタ２２１では、帰還回路２３０を用いることにより、結合度の調整が行われ、広帯域化が図られるとされている。しかしながら、この先行技術に記載のデュアルモードフィルタでは、帰還回路２３０が必要であり、回路構成が煩雑化するという問題があった。加えて、やはり、リング状共振器の形状が円環状と限定され、設計の自由度が低いという問題があった。
【００１２】
本発明の目的は、上述した従来技術の欠点を解消し、小型化を図り得るだけでなく、結合度を大きくすることができ、さらに結合度の調整が容易であり、広い通過帯域を容易に実現することができ、さらに設計の自由度に優れたデュアルモード・バンドパスフィルタを提供することにある。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本願発明の広い局面によれば、第１，第２の主面を有する誘電体基板と、前記誘電体基板の第１の主面または誘電体基板のある高さ位置において部分的に形成された金属膜と、前記金属膜と誘電体基板層を介して対向するように、誘電体基板の第２の主面または誘電体基板内に形成された少なくとも１つのグラウンド電極と、前記金属膜に異なる部分で結合された一対の入出力結合回路とを備え、前記金属膜において生じる、共振周波数の異なる２つの共振モードが結合するように、前記金属膜とグラウンド電極とが対向されている部分において、金属膜をグラウンド電極に投影した部分の外周に沿って前記グラウンド電極に貫通孔または切欠が形成されていることを特徴とする、デュアルモード・バンドパスフィルタが提供される。
【００１６】
本発明では、２つの共振モードが結合するように、金属膜とグラウンド電極とが対向されている部分において、グラウンド電極に貫通孔または切欠が形成されている。すなわち、一対の入出力結合回路の金属膜への結合転換を結ぶ下層線と略平行な方向並びに該下層線に直交する方向の２つの方向に伝搬する共振モードが生じるが、一方の共振モードが上記貫通孔または切欠により影響を受けて、その共振周波数が変動する。すなわち、上記貫通孔または切欠が、一方の共振モードを他方の共振モードと結合させるように、一方の共振モードの共振電界または共振電流に影響を与えるように形成されている。従って、上記貫通孔または切欠により、２つの共振モードが結合されて、デュアルモード・バンドパスフィルタとして動作する。
【００１７】
本発明の特定の局面では、前記誘電体基板の第１の主面に金属膜が形成されており、第２の主面にグラウンド電極が形成されている。
本発明に係るデュアルモード・バンドパスフィルタのさらに他の特定の局面では、前記金属膜が、長手方向と短手方向とを有する形状である。
【００１８】
本発明のさらに別の特定の局面では、前記金属膜の平面形状が、長方形、菱形、正多角形、円形または楕円形である。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の具体的な実施例を説明することにより、本発明を明らかにする。
【００２０】
図１は、本発明とは異なるが、本発明の参考例に係るデュアルモード・バンドパスフィルタを説明するための斜視図であり、図２はその要部を模式的に示す平面図である。
デュアルモード・バンドパスフィルタ１は、矩形板状の誘電体基板２を有する。誘電体基板２の上面には、共振器を構成するためにＣｕからなる金属膜３が形成されている。金属膜３は、誘電体基板２上において部分的に形成されている。金属膜３は、本参考例では長方形の形状を有する。すなわち、金属膜３は、長手方向と短手方向とを有する形状である。
【００２１】
本参考例では、金属膜３は、長辺の長さが１．６ｍｍ、短辺の長さが１．４ｍｍとされている。
もっとも、金属膜３の寸法は、これに限定されず、所望とする中心周波数と帯域幅に応じて適宜変更し得る。
【００２２】
誘電体基板２の上面においては、金属膜３に、短辺３ａ，３ｂと所定のギャップを隔てて入出力結合回路５，６が結合されている。入出力結合回路５，６は、金属膜３に結合される部分である入出力容量形成用パターン５ａ，６ａと、入出力容量形成用パターン５ａ，６ａに接続されたマイクロストリップライン５ｂ，６ｂとを有する。
【００２３】
なお、入出力結合回路５，６の金属膜３への結合点については異なる部分である限り図示の位置に限定されない。
誘電体基板２の下面には、全面にグラウンド電極４が形成されている。
【００２４】
本参考例のバンドパスフィルタ１では、誘電体基板２が一様に構成されておらず、比誘電率が異なる誘電体基板層部分を有する。すなわち、金属膜３とグラウンド電極４とが誘電体基板２を対向している領域のうち、相対的に比誘電率が大きな部分２ａ，２ｂが形成されている。この比誘電率が大きな部分２ａ，２ｂは、本参考例では、比誘電率εｒ＝１７とされており、残りの誘電体基板部分の比誘電率がεｒ＝７とされている。比誘電率の高い部分２ａ，２ｂは、長方形の金属膜３の長辺３ｃ，３ｄの中央付近において、該長辺３ｃ，３ｄに沿うように形成されている。また、比誘電率の高い部分２ａ，２ｂは、その平面形状が長方形であり、かつ誘電体基板２の厚み方向において、誘電体基板２の上面から下面に至るように形成されている。
【００２５】
比誘電率の高い部分２ａ，２ｂと、残りの部分とを有するように誘電体基板２を構成する方法については特に限定されず、誘電体基板２を得た後に、誘電体基板部分２ａ，２ｂが設けられる部分に貫通孔を形成し、該貫通孔に比誘電率の高い誘電体材料を充填することにより形成することができる。あるいは、矩形の誘電体基板を得た後に、比誘電率の相対的に高い部分２ａ，２ｂに相当する部分に基板の構成材料と反応する元素を塗布し、熱拡散させることにより比誘電率の高い部分２ａ，２ｂを形成してもよい。
【００２６】
本参考例では、誘電体基板２は、Ｍｇ、Ｓｉ、Ａｌなどの酸化物からなり、比誘電率の相対的に高い部分２ａ，２ｂは、Ｍｇ、Ｓｉ、Ａｌなどの酸化物に加えてＣａあるいはＴｉの酸化物が付加されている。
【００２７】
また、上記比誘電率の相対的に高い部分２ａ，２ｂの平面形状は長方形であるが、その短辺は２００μｍ、長辺が６００μｍの寸法を有するように構成されている。
【００２８】
本参考例のデュアルモード・バンドパスフィルタ１では、入出力結合回路５，６の一方とグラウンド電極４との間に入力電圧を印加することにより、入出力結合回路５，６の他方とグラウンド電極４との間で出力が取り出される。この場合、金属膜３が長方形の形状を有し、上記比誘電率の相対的に高い部分２ａ，２ｂが形成されているので、２つのモードの共振が結合され、デュアルモード・バンドパスフィルタとして動作する。これは、上記相対的に比誘電率の高い部分２ａ，２ｂが、金属膜３において生じる２つの共振を結合するように構成されているためである。これを、図３〜図７を参照して説明する。
【００２９】
図３は、比較のために用意した共振器５１を示す斜視図である。共振器５１では、比誘電率の相対的に高い部分２ａ，２ｂが設けられていないことを除いては、上記参考例のデュアルモード・バンドパスフィルタ１と同様に構成されている。この共振器５１の周波数特性を図４に示す。
【００３０】
図４の実線Ａ及び破線Ｂは、共振器５１の反射特性及び通過特性をそれぞれ示す。
図４から明らかなように、矢印Ｃ，矢印Ｄで示す２つの共振が現れているものの、２つの共振が離れか周波数位置に現れており、結合されていない。共振器５１では、金属膜３に結合されている入出力結合回路５，６の結合点を結ぶ方向と平行な方向、すなわち金属膜３の長辺方向に沿う共振と、該長辺と直交する方向すなわち短辺方向に沿う共振とが生じる。図４の矢印Ｃで示す共振は、上記長辺方向に沿う共振であり、矢印Ｄで示す共振は短辺方向に沿う共振である。
【００３１】
図４から明らかなように、２つの共振は異なる周波数位置に現れており、結合していない。すなわち、バンドパスフィルタとして動作しない。
本願発明者らは、上記共振器５１における共振電界を電磁界シュミレーター（ヒューレットパッカード社製、品番：ＨＦＳＳ）を用いて測定したところ、図５及び図６に示す結果が得られた。
【００３２】
すなわち、共振Ｃでは、図５の破線Ｅで示す部分、すなわち長辺３ｃ，３ｄの両側において短辺３ａ，３ｂに沿う部分が共振電界が強くなることが確かめられた。
【００３３】
他方、短辺方向に沿う共振の場合には、図６に破線Ｆで示すように、金属膜３の長辺３ｃ，３ｄ近傍において共振電界が強くなることが確かめられた。
本願発明者らは、上記共振電界分布を考慮した結果、一方の共振に際しての共振電界を調整し、それによって共振Ｃ，共振Ｄの共振周波数を近づければ、バンドパスフィルタを構成し得ることを見い出した。
【００３４】
上記参考例のデュアルモード・バンドパスフィルタ１では、上記のような知見のもとに、長辺３ｃ，３ｄの略中央付近において、上記比誘電率の相対的に高い部分２ａ，２ｂを形成することにより、短辺方向に沿う共振、すなわち図４に示した共振Ｄの共振周波数を低下させ、２つの共振が結合されている。言い換えれば、２つの共振が結合するように、比誘電率の相対的に高い部分２ａ，２ｂが形成されている。
【００３５】
図７に、本参考例のデュアルモード・バンドパスフィルタ１の周波数特性を示す。図７の実線Ｇが反射特性を、破線Ｈが通過特性を示す。また、比較のために、前述した共振器５１の周波数特性も実線Ａ及び破線Ｂで併せて示す。
【００３６】
図７から明らかなように、本参考例のデュアルモード・バンドパスフィルタ１では、２つの共振が結合し、バンドパスフィルタとして動作し得ることがわかる。
【００３７】
本参考例のデュアルモード・バンドパスフィルタ１では、上記比誘電率が相対的に高い部分２ａ，２ｂの残りの部分との比誘電率差、比誘電率が相対的に高い部分２ａ，２ｂの平面形状及び該平面形状の面積を調整することにより、短辺方向に伝搬する共振の共振周波数を容易に調整することかでき、それによって２つの共振を確実に結合することができるとともに、所望とする帯域幅のバンドパスフィルタ特性を容易に得ることができる。
【００３８】
なお、上記参考例では、長辺側中央に比誘電率が相対的に高い部分２ａ，２ｂを設けたが、短辺側に比誘電率が残りの誘電体基板部分と異なる部分を設けてもよい。その場合には、長辺に沿って伝搬する共振の共振周波数が影響を受けることになるため、短辺側に比誘電率が異なる部分として、残りの部分に比べて比誘電率が相対的に低い部分を設ければよい。
【００３９】
図８は、金属膜３の短辺３ａ，３ｂ側に、比誘電率が相対的に低い部分が設けられた参考例の変形例を示す模式的平面図である。
本変形例のデュアルモード・バンドパスフィルタ１１では、金属膜３の下方において、誘電体基板２に空洞２ｃ，２ｄが設けられている。空洞２ｃ，２ｄは、金属膜３とグラウンド電極とが対向されている領域において、金属膜３の短辺３ａ，３ｂに沿うように短辺略中央に設けられている。空洞２ｃ，２ｄは、その平面形状が略長方形の形状とされており、該長方形の短辺が２００μｍ、長辺が６００μｍの寸法を有する。また、空洞２ｃ，２ｄは、誘電体基板２を上面から下面に貫くように形成されている。もっとも、空洞２ｃ，２ｄは、必ずしも貫通する必要はない。
【００４０】
空洞２ｃ，２ｄにおける比誘電率は空気の比誘電率となるため、εｒ＝１である。
本変形例のデュアルモード・バンドパスフィルタ１１の周波数特性を図９に示す。図９において実線Ｉが反射特性を、破線Ｊが通過特性を示す。比較のために、前述した共振器５１の周波数特性を併せて実線Ａ及び破線Ｂで示す。
【００４１】
図９から明らかなように、本変形例によれば、金属膜３の短辺側において上記空洞２ｃ，２ｄが誘電体基板２に設けられているので、長辺方向に伝搬する共振の共振電界が影響を受け、共振Ｃの共振周波数が高められて、２つの共振が結合し、バンドパスフィルタとして動作することがわかる。
【００４２】
図１０及び図１１は、本発明の実施例に係るバンドパスフィルタの要部を示す模式的平面図及び底面図である。本実施例のバンドパスフィルタ２１では、誘電体基板２２として、厚み３００μｍであり、比誘電率εｒ＝７のＭｇ、Ｓｉ、Ａｌの酸化物からなるものが用いられている。誘電体基板２２の上面には、金属膜３及び入出力結合回路５，６が参考例と同様に構成されている。また、図１１に示すように、誘電体基板２の下面にはグラウンド電極４が形成されている。本実施例の特徴は、グラウンド電極４において、貫通孔４ａ，４ｂが形成されていることにある。
【００４３】
すなわち、貫通孔４ａ，４ｂは、金属膜３とグラウンド電極４とが対向している領域において、２つの共振を結合するように設けられている。本実施例では、貫通孔４ａ，４ｂは、金属膜３を下方に投影した場合の短辺３ａ，３ｂが位置している部分に沿うように、平面形状が長方形の貫通孔４ａ，４ｂが形成されている。
【００４４】
従って、デュアルモード・バンドパスフィルタ２１では、金属膜３の長辺方向に伝搬する共振の共振電界が強く現れる部分が貫通孔４ａ，４ｂにより影響を受け、図８に示した参考例の変形例と同様に、金属膜３の長辺方向に伝搬する共振Ｃの共振周波数が高められる。そして、貫通孔４ａ，４ｂが、上記共振Ｃと共振Ｄとが結合するように、その大きさが定められている。本実施例では、貫通孔４ａ，４ｂの一方が、長辺０．８ｍｍ、短辺０．４ｍｍとされている。
【００４５】
本実施例のデュアルモード・バンドパスフィルタ２１の周波数特性を図１２に実線Ｋ及び破線Ｌで示す。実線Ｋが反射特性を、破線Ｌが通過特性を示す。比較のために、共振器５１の周波数特性を図１２に併せて示す。図１２から明らかなように、本実施例においても、貫通孔４ａ，４ｂの形成により２つの共振が結合されることがわかる。
【００４６】
なお、参考例及び参考例の変形例では誘電体基板に、共振電界を制御するために比誘電率が残りの部分と異なる部分を設け、本実施例では、グラウンド電極に貫通孔を設けたが、これらの方法を併用してもよい。すなわち、参考例と本実施例とを組み合わせてもよい。
【００４７】
また、実施例では、金属膜３は長方形の形状を有していたが、金属膜３の形状については特に限定されず、任意の形状とすることができる。もっとも、異なる共振周波数の２つの共振モードを発生させるには、長手方向と短手方向とを有する金属膜を用いることが望ましい。
【００４８】
また、金属膜の具体的な平面形状としては、長方形、菱形、正多角形、円形または楕円形など様々な形状とすることができる。
また、実施例では、誘電体基板２の上面に金属膜３が形成されていたが、金属膜３は、誘電体基板のある高さ位置に形成されていもよい。同様に、グラウンド電極についても、金属膜３と誘電体基板層を介して対向され得る限り、誘電体基板２の下面に形成される必要は必ずしもなく、誘電体基板内に形成されていてもよい。
【００４９】
さらに、誘電体基板２の中間高さ位置に金属膜を形成し、誘電体基板の上面及び下面にグラウンド電極を形成することにより、トリプレート構造を有するデュアルモード・バンドパスフィルタを構成してもよい。
【００５０】
【発明の効果】
【００５４】
本発明に係るデュアルモード・バンドパスフィルタでは、誘電体基板に共振器を構成するための金属膜が形成されており、該金属膜に入出力結合回路が結合されて共振周波数の異なる２つの共振モードが生じるように構成されている。そして、該２つの共振モードが結合するように、金属膜とグラウンド電極とが対向されている部分において、金属膜をグラウンド電極に投影した部分の外周に沿ってグラウンド電極に切欠が形成されている。従って、第１の発明と同様に、２つの共振モードが結合されて、デュアルモード・バンドパスフィルタとしての特性が得られる。
【００５５】
共振器を構成する金属膜の形状や入出力結合回路の結合点の位置の制約がなく、従って、デュアルモード・バンドパスフィルタの設計の自由度を大幅に高め得る。
【００５６】
しかも、上記グラウンド電極に設けられる貫通孔または切欠の形状、入出力結合回路の結合点の位置あるいは金属膜の寸法を変更することにより、帯域幅を大幅に調整することができる。
【００５７】
よって、本発明によれば、所望とする帯域幅のデュアルモード・バンドパスフィルタを容易に提供することができる。
本発明において、誘電体基板の第１の主面に金属膜が形成されており、第２の主面にグラウンド電極が形成されている場合には、誘電体基板の両面に導電膜を形成することにより、本発明に係るデュアルモード・バンドパスフィルタを容易に構成することができる。
【００５８】
上記金属膜が、長手方向と短手方向とを有する形状の場合には、共振周波数が異なる２つの共振モードを容易に発生させることができる。
もっとも、金属膜の平面形状は特に限定されないため、本発明では、様々な形状の金属膜を用いたデュアルモード・バンドパスフィルタを提供することができ、例えば、長方形、菱形、正多角形、円形または楕円形等の任意の形状とすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】参考例のデュアルモード・バンドパスフィルタの斜視図。
【図２】参考例のデュアルモード・バンドパスフィルタの要部を示す模式的平面図。
【図３】比較のために用意した共振器を説明するための斜視図。
【図４】図３に示した共振器の周波数特性を示す図。
【図５】図３に示した共振器において、金属膜の長辺方向に沿う共振の際に共振電界が強く現れる部分を説明するための模式的平面図。
【図６】図３に示した共振器において、金属膜の短辺方向に沿う共振の際に共振電界が強く現れる部分を説明するための模式的平面図。
【図７】参考例及び比較のために用意した共振器の周波数特性を示す図。
【図８】参考例の変形例に係るデュアルモード・バンドパスフィルタを説明するための模式的平面図。
【図９】図８に示した変形例及び図３に示した共振器の周波数特性を示す図。
【図１０】実施例に係るデュアルモード・バンドパスフィルタの要部を示す模式的平面図。
【図１１】実施例のデュアルモード・バンドパスフィルタの底面図。
【図１２】実施例のデュアルモード・バンドパスフィルタ及び比較のために用意した共振器の周波数特性を示す図。
【図１３】従来のデュアルモード・バンドパスフィルタの一例を示す模式的平面図。
【図１４】従来のデュアルモード・バンドパスフィルタの他の例を示す模式的平面図。
【図１５】従来のデュアルモード・バンドパスフィルタのさらに他の例を示す模式的平面図。
【符号の説明】
１…デュアルモード・バンドパスフィルタ
２…誘電体基板
２ａ，２ｂ…比誘電率が相対的に高い部分
２ｃ，２ｄ…空洞
３…共振器を構成する金属膜
３ａ，３ｂ…短辺
３ｃ，３ｄ…長辺
４…グラウンド電極
４ａ，４ｂ…貫通孔
５，６…入出力結合回路
１１…デュアルモード・バンドパスフィルタ
２１…デュアルモード・バンドパスフィルタ
２２…誘電体基板
Claims (4)
- 第１，第２の主面を有する誘電体基板と、
前記誘電体基板の第１の主面または誘電体基板のある高さ位置において部分的に形成された金属膜と、
前記金属膜と誘電体基板層を介して対向するように、誘電体基板の第２の主面または誘電体基板内に形成された少なくとも１つのグラウンド電極と、
前記金属膜に異なる部分で結合された一対の入出力結合回路とを備え、
前記金属膜において生じる、共振周波数の異なる２つの共振モードが結合するように、前記金属膜とグラウンド電極とが対向されている部分において、金属膜をグラウンド電極に投影した部分の外周に沿って前記グラウンド電極に貫通孔または切欠が形成されていることを特徴とする、デュアルモード・バンドパスフィルタ。 - 前記誘電体基板の第１の主面に金属膜が形成されており、第２の主面にグラウンド電極が形成されている、請求項１に記載のデュアルモード・バンドパスフィルタ。
- 前記金属膜が、長手方向と短手方向とを有する形状である、請求項１または２に記載のデュアルモード・バンドパスフィルタ。
- 前記金属膜の平面形状が、長方形、菱形、正多角形、円形または楕円形である、請求項１〜３のいずれかに記載のデュアルモード・バンドパスフィルタ。
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