JP3861806B2 - 共振器、フィルタ、デュプレクサ、および通信装置 - Google Patents
共振器、フィルタ、デュプレクサ、および通信装置 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、たとえばマイクロ波帯やミリ波帯における共振器、フィルタ、デュプレクサ、および通信装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
マイクロ波帯やミリ波帯で用いられる共振器としては、特許文献１に記載のヘアピン共振器が知られている。このヘアピン共振器は、直線状の導体線路による共振器を用いる場合に比べて小型化できるという特徴を備えている。
【０００３】
また、薄膜微細加工による平面回路型の多重Ｃリング共振器が、特許文献２に示されている。この多重Ｃリング共振器は、上記特許文献１のヘアピン共振器に比べて共振器の導体Ｑが高いという特徴を備えている。
【０００４】
さらに、特許文献３には、薄膜微細加工による平面回路型の多重スパイラル共振器が示されている。この共振器は、各導体線路に流れる電流分布が同一となるため、ヘアピン共振器に比べて導体Ｑのさらに高い共振器が得られる、という特徴を備えている。
【０００５】
【特許文献１】
特開昭６２−１９３３０２号公報
【特許文献２】
特開２０００−４９５１２公報
【特許文献３】
特開２０００−２４４２１３公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、上記特許文献３の多重スパイラル共振器は、導体Ｑが高いという特徴を備えているが、薄膜微細加工によるプロセスコストが高価になる、という問題があった。共振器をさらに小型化しようとすれば、ますます微細な加工が要求され、それに伴って製造コストが上昇してしまう。
【０００７】
この発明の目的は、小型化が容易で、製造コストに見合った所望の導体Ｑを備えた共振器、フィルタ、デュプレクサ、および通信装置を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上述の目的を達成するために、この発明に係る共振器は、
単数の導体線路からなる環状の共振単位の、複数個から構成される共振器であって、前記共振単位は容量性領域と誘導性領域とを有し、前記導体線路は、その一方の端部が、自らの他方の端部と幅方向に近接することによって前記容量性領域を形成し、複数個の共振単位の前記容量性領域を幅方向に近接させるとともに、各共振単位を略同心状に配置したことを特徴とする。
また、単数の導体線路からなる環状の共振単位の、複数個から構成される共振器であって、前記共振単位は容量性領域と誘導性領域とを有し、前記導体線路は、その一方の端部が、自らの他方の端部と幅方向に近接することによって前記容量性領域を形成し、各共振単位の導体線路の一方の端部を、異なる共振単位の導体線路の端部に周方向に近接させるとともに、各共振単位を略同心状に配置したことを特徴とする。
【０００９】
この構造により、容量性領域を容量素子として作用させ、各導体線路を両端開放の半波長線路として動作させる。また、基板を挟んで上記導体線路に対向する面には接地電極を不要として、構成要素の極めて少ない構造で、低コストで所望の導体Ｑを持つ共振器を得ることができる。
【００１０】
また、この発明に係る共振器は、複数の導体線路からなる環状の共振単位の、複数個から構成される共振器であって、前記共振単位は容量性領域と誘導性領域とを有し、前記導体線路それぞれは、一方の端部が同じ共振単位を構成する異なる導体線路の端部の外側に位置し、他方の端部が同じ共振単位を構成する異なる導体線路の端部の内側に位置し、同じ共振単位を構成する異なる導体線路の端部同士が幅方向に近接することによって前記容量性領域を形成していることを特徴とする。
また、複数の共振単位の端部同士を周方向に近接させるとともに、各共振単位を略同心状に配置したことを特徴とする。
【００１１】
また、この発明に係る共振器は、前記導体線路が平面状の基板上に形成されているものとする。これにより、基板を挟んで上記導体線路に対向する面に接地電極を不要として、構成要素の極めて少ない構造で、低コスト化を図る。また、各導体線路の端部を、導体線路の幅方向に近接させ、導体線路をその先端で近接させるよりも大きな容量を生じさせて、共振器の小型化を図る。
【００１２】
また、この発明に係る共振器は、前記基材の形状を柱状または筒状とし、該基材の側面に導体線路が形成されたものとする。これにより、柱状または筒状を成す構造体へ適用する。
【００１３】
前記導体線路は、その端部同士の、互いに近接する部分でインターディジタルトランスデューサを構成してもよい。これにより、各導体線路の端部の幅方向で近接する部分の長さを短縮化し、共振器全体の小型化を図る。
【００１４】
また、この発明に係る共振器は、前記導体線路の幅を、部分的あるいは全体に、該導体線路の表皮深さ程度または該表皮深さより細くした構造とする。これにより、表皮効果および縁端効果による電流集中を緩和させ、共振器の導体Ｑを改善する。
【００１５】
また、この発明に係る共振器は、互いに幅方向に隣接する前記導体線路同士の間を、該導体線路の表皮深さ程度または該表皮深さより狭くした構造とする。これにより、縁端効果による電流集中を緩和し、共振器の導体Ｑを高める。
【００１６】
また、この発明に係る共振器は、互いに幅方向に隣接する前記導体線路同士の間を、略一定にした構造とする。これにより、導体線路の製造プロセス上、最も細かなパターンが形成できる状態ですべての導体線路を形成できるようにし、共振器の導体Ｑを効率よく高める。
【００１７】
また、この発明に係る共振器は、前記導体線路を薄膜誘電体層と薄膜導体層とを積層してなる薄膜多層電極とする。この構造により、導体線路の幅方向の縁端効果による電流集中の緩和とともに、厚み方向についての表皮効果による電流集中を緩和し、共振器の導体Ｑをさらに改善する。
【００１８】
また、この発明に係る共振器は、前記複数の導体線路の互いに隣接する導体線路間の間隙に誘電体を充填した構造とする。これにより、隣接する導体線路間の間隙に生じる共振器の容量を増大させ、導体線路の幅方向で近接する部分の線路長を短縮化し、それにより共振器の小型化を図る。
【００１９】
また、この発明に係るフィルタは、上記のいずれかに記載の構成からなる共振器と、その基板上に形成した、共振器に結合する信号入出力手段とを備える。この構造により、小型化および低挿入損失化を図る。
【００２０】
また、この発明に係るデュプレクサは、上記フィルタを送信フィルタもしくは受信フィルタとして、またはその両方のフィルタとして用いて構成する。これにより、低挿入損失化を図る。
【００２１】
また、この発明に係る通信装置は、上記フィルタ、デュプレクサの少なくともいずれか１つを備えて構成する。これにより、ＲＦ送受信部の挿入損失を低減し、雑音特性、伝送速度などの通信品質を向上させる。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下、この発明に係る共振器、フィルタ、デュプレクサ、および通信装置の例を各図を参照して説明する。
【００２３】
まず、本発明の理解のためにこの種の共振器の基本的な構成を説明する。なお、次に説明する第１の実施形態は本発明の理解のためのものであり、本発明は第２の実施形態以降を請求の対象とする。図１は第１の実施形態に係る共振器の構成を示す図であり、（Ａ）は上面図、（Ｂ）は断面図である。図１に示すように、この共振器は、誘電体基板１（以下、単に「基板」と言う。）と、この上面に形成した導体線路２で構成している。基板１の導体線路２の形成面に対向する面（下面）には特に接地電極を形成していない。導体線路２は、その幅が一定であり、一周以上周回した形状にして、その両方の端部を互いに導体線路の幅方向に近接させている。すなわち、図中、円で囲んで示すように、導体線路の一方の端部ｘ１と他方の端部ｘ２を互いに幅方向に近接させている。
【００２４】
図２は上記共振器の動作について示す図である。図２の（Ａ）は導体線路の両方の端部同士が近接している部分の４つの位置Ａ，Ｂ，Ｄ，Ｅと、導体線路の長手方向の中央位置Ｃを示している。図２の（Ｂ）は、導体線路の両方の端部同士の近接部分での電界分布を示している。（Ｃ）は導体線路上の電流分布を示している。
【００２５】
図２の（Ｂ）に示すように、導体線路の両端ｘ１，ｘ２の幅方向に近接する部分に電界が集中する。また、導体線路の一方の先端部と、それに近接する他方の端部付近ｘ１１との間に、および他方の先端部と、それに近接する他方の端部付近ｘ２１との間にも電界が分布し、これらの部分に容量が生じる。
【００２６】
電流分布について見ると、（Ｃ）に示すように、電流強度は、導体線路のＡからＢにかけて急峻に増大し、Ｂ〜Ｄの領域において略一定値を保ち、ＤからＥにかけて急激に減少する。両端部は０である。導体線路の両端部同士が幅方向に近接する領域Ａ〜Ｂ，Ｄ〜Ｅは容量性領域、その他の領域Ｂ〜Ｄを誘導性領域と呼ぶことができる。この容量性領域と誘導性領域とにより共振動作する。すなわち、この共振器を集中定数回路のように見なせばＬＣ共振回路を構成している。
【００２７】
以下、このように、導体線路からなり、容量性領域と誘導性領域を有する環状の単位を共振単位という。
【００２８】
図３は、第２の実施形態に係る共振器の構成を示す図である。（Ａ）は上面図、（Ｂ）は断面図である。図１に示した共振器では、基板１上に単一の導体線路２を形成することによって共振器を構成したが、この図３に示す例では、基板１の上面に３つの導体線路２ａ，２ｂ，２ｃによる導体線路集合体１２を形成している。基板１の下面には、特に接地電極を形成していない。
【００２９】
このように、本願発明では基板などに形成した導体線路だけで共振器を構成することができるので、導体線路を形成した基板などの面の反対面側には接地電極を設ける必要がない。もちろん導体線路を形成した基板などの面の反対面側に接地電極を設けてもよい。その場合には、接地電極が電磁界の遮蔽作用を果たすことになる。そのため、簡単な構造で共振器に遮蔽構造を設けることができる。
【００３０】
この基板の下面に特に接地電極を形成していないことは、以降に示す各実施形態に共通である。各導体線路は、それらの両端同士が互いに幅方向に近接して、その部分に容量性領域を構成している。すなわち３つ導体線路２ａ，２ｂ，２ｃはそれぞれ共振単位を構成している。３つの導体線路２ａ，２ｂ，２ｃは互いに交差しないように、基板１の所定点Ｏを中心とする略同心円状に配置している。このように、３つの導体線路２ａ，２ｂ，２ｃによる３つの共振単位で１つの共振器を構成している。
【００３１】
上記容量性領域以外の誘導性領域においては、ある導体線路とそれに隣接する他の導体線路とが近接しているにもかかわらず容量はほとんど生じない。すなわち、図２の（Ｂ）に示したように、正電荷と負電荷は導体線路の端部（容量性領域）に集中し、誘導性領域では電荷は０になっている。電荷が０であれば、隣接する導体線路間で変位電流が流れないので容量は生じない。したがって、このように複数の共振単位を多重化しても容量性領域と誘導性領域としての機能をそれぞれ保つことができる。
【００３２】
なお、この例では、導体線路２ａ，２ｂ，２ｃの容量性領域（図中、円で囲んだ範囲内に存在する領域）を、導体線路が形成する環の略中心Ｏを通る直線Ｌに交差するように互いに近接配置している。
【００３３】
この共振器の作用・効果は次のとおりである。
【００３４】
(1) 各導体線路は、両端開放の半波長線路として作用する。しかもこの例では、１つの導体線路が１つの共振単位を構成している。
(2) 各導体線路の先端部に正と負の電荷が発生し、この導体線路両端の近接部が容量素子として作用する。
【００３５】
(3) 基板の同一面上で容量が形成されるため、裏面（下面）に接地電極が無くても共振動作する。
【００３６】
(4) 各導体線路の持つ容量に応じて、各導体線路に流れる電流強度が定まる。
【００３７】
(5) 各導体線路の電流は、円形ＴＥ０１δモードに類似した磁界分布を誘導する。すなわちｒｚ面で一周回り、軸対称状に磁界が分布する。
【００３８】
(6) 隣接する導体線路に略同位相の電流が流れるため、導体線路の多重化によって電流が分配され、その分配される電流分布により縁端効果による電流集中が緩和される。この縁端効果による電流集中の緩和により、導体Ｑが改善される。
【００３９】
(7) 各共振単位の容量性領域が互いに近接しているため、複数の導体線路上の局所的な領域に共振器の容量が集中する。このため、容量性部分と誘導性部分の機能分担がより明確となる。したがって、この共振器を利用する他の回路との結合の設計が容易となる。
【００４０】
図４は、第３の実施形態に係る共振器の構成を示す図である。（Ａ）は上面図、（Ｂ）は断面図である。
【００４１】
この例では、導体線路２ａ，２ｂ，２ｃの両方の端部同士が幅方向に近接しているとともに、導体線路２ａ，２ｂ，２ｃの一方の先端と、それに隣接する他の導体線路の一方の先端とが、Ｇで示す位置で所定間隙を隔てて向き合うように配置している。このパターンは、一本のスパイラル状の導体線路を、途中の所定箇所（図中Ｇで示す部分）で部分的に切断して得られるものに等しい。すなわち、或る２つの隣接する共振単位同士で比較すると、共振単位の容量性領域（図中楕円で囲んだ範囲内に存在する領域）は周回方向に少しずれた位置に形成されることになる。したがって、半径方向の変化に対する容量性領域の位置変化を見ると、容量性領域は半径方向の変化に伴って周回方向に次第にずれた位置に形成されていることになる。
【００４２】
この構造によれば、限られた占有面積内に線数の多い導体線路集合体１２を配置でき、共振器を全体に小型化できる。
【００４３】
また、各導体線路の全長に亘って、隣接する導体線路同士の間隙が大きくならないため、導体線路の全体にわたって縁端効果による電流集中を緩和することができ、その分、導体Ｑが高められる。
【００４４】
次に、第３の実施形態で示した複数の共振単位からなる共振器と、比較例である多重スパイラル共振器の解析結果を示す。なお、第３の実施形態では、共振単位が、インピーダンスの高い誘導性領域と、インピーダンスの低い容量性領域とから構成されており、インピーダンスがステップ状に変化するので、共振単位をステップリングと呼び、共振器が複数の共振単位からなるので、その共振器を多重ステップリング共振器と呼ぶことにする。
【００４５】
図５の（Ａ）は、図４の共振器のｒｚ面の片側断面を示している。基板１の上面には導体線路集合体１２を形成している。この基板１および導体線路集合体１２の周囲を遮蔽キャビティ３で囲んでいる。導体線路２の構造寸法は次のとおりである。
【００４６】
内半径ｒａ＝２５０μｍ
外半径ｒｂ＝１０００μｍ
導体線路幅Ｌｏ＝１．５μｍ
導体線路間隔Ｓｏ＝１．５μｍ
導体線路の膜厚ｔ＝５μｍ
導体線路数ｎ＝２５０本
図５の（Ｂ）は、導体線路の半径方向の位置における各部の電流分布を示している。ここで(1) は多重ステップリング共振器の電流分布、(2) は多重スパイラル共振器の電流分布である。この多重スパイラル共振器は、特開２０００−２４４２１３に開示した、複数のスパイラル状導体線路の集合体から成る共振器である。
【００４７】
ここで、各導体線路に流す強制電流は次のとおりである。
【００４８】
(1) 多重ステップリング共振器
電流数列ｉｋ＝４［ｍＡ］
合計電流Ｉ＝１［Ａ］
(2) 多重スパイラル共振器
電流数列（図５の（Ｂ）に示すとおり）
最大値＝約８［ｍＡ］
最小値＝０［Ａ］
平均値＝４［ｍＡ］
合計電流Ｉ＝１［Ａ］
上記(1),(2) および図５の（Ｂ）に示したように多重ステップリング共振器の各導体線路に流れる電流はすべて同一であるのに対し、多重スパイラル共振器における導体線路には、半径方向の位置に応じて両端が０で、中央部から外側寄りの位置でピークとなる山形の電流分布となる。このように、多重ステップリング共振器では、各導体線路に流れる電流が一定であるので、導体線路集合体全体としての導体損失が低く抑えられ、導体Ｑの高い共振器が得られる。
【００４９】
次に、上記共振器の導体Ｑ、磁界エネルギー、インダクタンスについての計算結果を示す。
【００５０】
まず磁界蓄積エネルギーＷｍは、
Ｗｍ＝ＬＩ2 ／２
合計電流（実効値）Ｉは、
Ｉ＝Σｉk (k=1〜n)
上記２つの式より、共振器のインダクタンスＬは
Ｌ＝２Ｗｍ／Ｉ2
と表される。導体ＱをＱｃで表すと、各共振器の解析結果は次のとおりである。
【００５１】
(1) 多重ステップリング共振器
Ｑｃ＝２５０
Ｗｍ＝１．９６ｎＪ
Ｌ＝０．９８ｎＨ
(2) 多重スパイラル共振器
Ｑｃ＝２１９
Ｗｍ＝３．１７ｎＪ
Ｌ＝１．５８ｎＨ
その結果、多重ステップリング共振器の容量性領域の寸法設計は次のようになる。
【００５２】
共振周波数２ＧＨｚの共振器を設計する場合、インダクタンス０．９８ｎＨより、必要容量は６．４５ｐＦとなる。導体線路間隙１．５μｍにおける実効比誘電率を４０とすると、６．４５ｐＦに対応する容量性領域の合計長さは５．４７ｍｍとなる。これを２５０本の各ステップリングで均等分配する場合、１つあたりの容量性領域の長さは、Ｗｇ＝５．４７ｍｍ／２５０＝２１．９μｍとなる。
【００５３】
図６は、第４の実施形態に係る共振器の構成を示す図である。この例では、図４に示したものと同様に、３つの導体線路２ａ，２ｂ，２ｃがそれぞれ共振単位を構成しているが、導体線路２ｂについては、図中の円で示すように、その端部ｄ１，ｄ２，ｄ３，ｄ４をＡ−Ｂで示す範囲で幅方向に近接させている。すなわち、櫛形パターンを相互に噛み合わせた形状のインターディジタルトランスデューサ（ＩＤＴ）を構成している。
【００５４】
このような構造により、限られた面積のＩＤＴ部分で大容量が得られる。そのため、所定共振周波数を得るための導体線路長が短縮化でき、導体線路集合体１２の占有面積を縮小化して、共振器の小型化が図れる。また、隣接する共振単位との間隙が大きくならないため、導体線路の全体にわたって縁端効果による電流集中を緩和することができ、その分、導体Ｑが高められる。
【００５５】
また、導体線路集合体の幅方向の中央（３つの導体線路の場合、その中央の導体線路）の導体線路２ｂに対して両端の導体線路２ａ，２ｃの幅を相対的に細くしたことにより、縁端効果による電流集中が著しい部分についての電流集中を効率的に抑制できる。
【００５６】
次に、第５の実施形態に係る共振器の構成を図７〜図９を参照して説明する。
【００５７】
第１〜第４の実施形態では、単数の導体線路で環状の共振単位を構成したが、共振単位を構成する導体線路は単数である必要はなく、複数であってもよい。これにより、一つの共振単位が複数の容量性領域と複数の誘導性領域を持つようになる。例えば図７に示すように、２つの導体線路で環状の共振単位を構成してもよい。図７の（Ａ）に示す例では、誘電体基板１の表面に２ａ，２ｂで示す２つの導体線路をそれぞれ半周以上周回した形状としている。同様にして一周する間に３つの容量性領域を持つように各導体線路を１／３周を越える程度の角度範囲を周回した形状としてもよい。
【００５８】
図７の（Ａ）では、導体線路２ａの一方の端部ｘａ１と導体線路２ｂの一方の端部ｘｂ１とを幅方向に近接させている。同時に、導体線路２ａの他方の端部ｘａ２と導体線路２ｂの他方の端部ｘｂ２とを幅方向に近接させている。この２組の端部同士の近接する領域で２つの容量性領域を形成している。したがって、導体線路２ａ，２ｂがそれぞれ両端開放の半波長線路として作用する。
【００５９】
図７の（Ｂ）は、図７の（Ａ）に示した共振単位を２つ設けて共振器を構成した例である。導体線路２ａの両方の端部と導体線路２ｂの両方の端部がそれぞれ幅方向に近接して２つの容量性領域を形成し、導体線路２ｃの両方の端部と導体線路２ｄの両方の端部がそれぞれ幅方向に近接して２つの容量性領域を形成している。このようにして図７（Ｂ）で４つの楕円で囲んだ範囲内に容量性領域を形成している。また、各共振単位の導体線路の一方の先端と、それに隣接する他の共振単位の導体線路の一方の先端とが、Ｇで示す位置で所定間隙を隔てて向き合うように各導体線路２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄを配置している。この配置によって２つの共振単位の隣接位置で導体線路同士の間隔を一定にしている。この場合にも、図４に示した実施形態の場合と同様に、導体線路全体にわたって縁端効果による電流集中を緩和することができ、その分導体Ｑが高められる。
【００６０】
図８は、図７の（Ｂ）に示した共振器の動作について示す図である。図８の （Ａ）は隣接する導体線路間の電界分布および導体線路上の電流の方向の例について示している。図８の（Ｂ）は（Ａ）におけるＡ−Ａ部分の断面において導体線路周囲の磁界分布を示している。ここで、Ｅは電界、Ｈは磁界、Ｉは電流を表している。この図に示すように、各導体線路の端部付近で、隣接する導体線路に対して導体線路の幅方向に近接する箇所に電界が集中する。すなわち、隣接する導体線路の端部同士が導体線路の幅方向に近接する領域が容量性領域、電流が流れるそれ以外の導体線路の領域が誘導性領域として作用する。
【００６１】
また、図９は、４つの導体線路からなる共振単位を３組配置した例である。図９において、４つの導体線路２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄが第１の共振単位を成し、４つの導体線路２ｅ，２ｆ，２ｇ，２ｈが第２の共振単位を成し、４つの導体線路２ｉ，２ｊ，２ｋ，２ｌが第３の共振単位を成す。
【００６２】
このような共振器における容量性領域の特徴は、各導体線路が一周以上に亘って周回したものと同様に、容量性領域が導体線路の周回方向に対して占める割合が小さい程、集中定数的容量として機能し、それ以外の誘導性領域の導体線路部分には節・腹のない電流が分布する。また、導体線路に流れる電流は、各導体線路周回方向で見た時、同じ方向に流れる。各電流によって誘導される磁界ベクトルは相互誘導することにより、磁界エネルギを効率よく蓄積する。
【００６３】
このように、各導体線路に分散して電流が流れるため、マイクロストリップ線路に見られるような縁端効果による電流集中が緩和され、導体損失が低減される。
【００６４】
また、導体線路の周回方向に複数の容量性領域が分割配置されることになるため、次にような効果を奏する。
【００６５】
すなわち、ミリ波帯へ適用するために高周波化設計を行う場合、基板上における共振器の大きさ（これは略円形を成す共振器形成領域の直径や共振器の占有面積で表される。）が一定の条件下で、容量性領域を形成する導体線路端部の近接する長さが短く設計されるが、その際、高周波化に伴って微細加工による寸法公差に対する要求精度が高くなる。しかし、この実施形態では、導体線路の周回方向に一周する間に複数の容量性領域を持つように複数の導体線路を構成することによって容量性領域を分割配置している。その結果、その分割した容量は直列接続の関係となり、容量性領域１つ当たりの容量は大きくなるように設計できる。
【００６６】
例えば、容量性領域を２分割した場合（導体線路の周回方向に一周する間に２つの容量性領域を持つように２つの導体線路で共振単位を構成した場合）、各容量性領域の容量をＣ１，Ｃ２とすれば、合成容量値Ｃは、
Ｃ＝１／（１／Ｃ１＋１／Ｃ２）となる。
【００６７】
また、容量性領域が３分割し、それぞれの容量をＣ１，Ｃ２，Ｃ３とすれば、合成容量値Ｃは、
Ｃ＝１／（１／Ｃ１＋１／Ｃ２＋１／Ｃ３）となる。
【００６８】
次に、第６の実施形態に係る共振器の構成を図１０，図１１に示す。図１０の（Ａ）は上面図、（Ｂ）は断面図、（Ｃ）は（Ａ）における円部分の拡大図、 （Ｄ）は（Ａ）におけるＡ−Ａ′部分の断面図である。但し、図１０の（Ｃ），（Ｄ）では、図面の視認が可能なように、導体線路数を少なく描いている。図１１は、共振器の拡大図である。
【００６９】
図１１において、円ＩＥは複数の導体線路のうち最内周側の端部、円ＯＥは最外周側の端部をそれぞれ表している。円Ｇは、導体線路の先端同士が所定間隙を隔てて向き合っている部分を表している。
【００７０】
図１０において、基板１の上面に導体線路集合体１２を構成している。その基本構造は図４に示したものと同様である。但し、この図１０に示す例では、複数の導体線路の配置による導体線路集合体１２の幅方向（Ａ−Ａ′方向）の略中央から両端にかけて、導体線路幅を次第に細くしている。導体線路集合体１２の内周部と外周部（上記導体線路集合体１２の幅方向の両端付近）の導体線路幅は導体の表皮深さ程度またはそれより細く微細加工している。また、すべての導体線路の間隔は導体の表皮深さ程度またはそれより狭く微細加工している。たとえば銅（導電率約５３ＭＳ／ｍ）は、周波数２ＧＨｚで約１．５μｍの表皮深さをもつので、上記内周部および外周部の導体線路幅と各導体線路の間隔を１．５μｍ以下としている。
【００７１】
このように、導体線路集合体１２の幅方向の両端付近および各導体線路の間隔を表皮深さ以下の寸法にしたことにより、導体線路集合体１２の縁端部における表皮効果による電流集中を効率良く緩和できる。また、導体線路集合体１２の幅方向の略中央部の導体線路幅を太くしたことにより、縁端効果の少ない部分の電流量を増大させることができる。その結果、導体Ｑが改善できる。
【００７２】
また、この例では、導体線路集合体１２の各導体線路を略四角形のパターンとしたことにより、それを円形パターンとした場合に比較して、共振磁界エネルギーを保持するための開口面積が大きくなる。したがって、その分、占有面積の縮小化が図れる。しかも、略四角形の角部にＲ（ラウンド）を付けたため、導体線路に急峻に曲がった部分がなく、導体線路の曲がった部分での電流集中が緩和され、導体Ｑの低下が生じない。
【００７３】
次に、第７の実施形態に係る共振器の構成を図１２に示す。この共振器も複数の共振単位から構成していて、その基本構造は図７の（Ｂ）に示したものと同様である。但し、この図１２に示す例では、複数の導体線路による導体線路集合体の幅方向の略中央から両端にかけて導体線路幅をしだいに細くしている。この共振器は図１０に示した例と異なり、２つの導体線路で１つの共振単位を構成している。この図１２に示す例では、導体線路２ａ，２ｂが第１の共振単位を成し、導体線路２ｃ，２ｄが第２の共振単位を成し、導体線路２ｅ，２ｆが第３の共振単位を成し、導体線路２ｇ，２ｈが第４の共振単位を成す。このようにして４つの共振単位で１つの共振器を構成している。
【００７４】
ここで、内周部と外周部の導体線路の幅は導体線路の表皮深さ程度またはそれより細く微細加工している。また、すべての導体線路の間隔は導体線路の表皮深さ程度またはそれより狭く微細加工している。この構成により、図１０に示した共振器の場合と同様に、導体線路集合体の縁端部における表皮効果による電流集中を効率よく緩和でき、また、共振器全体の導体Ｑが改善できる。
【００７５】
なお、以上に示した、複数の導体線路の配置による導体線路集合体を構成して導体Ｑを向上させるためには、導体線路上に流れる電流を上手く分配する必要がある。この発明では、各導体線路の容量性領域の容量によって、各導体線路に流れる電流を制御する。その設計要件として次のものが挙げられる。
【００７６】
(1) 表皮効果、縁端効果による導体損失の本質は電流が偏って表面や縁端部に電流が集中することにあるので、その集中する電流を平坦な振幅に分散させて、同時に磁界エネルギの疎密分布を平坦化させる。
【００７７】
(2) 最適設計の問題は、電流振幅の分布および磁界エネルギの疎密分布に応じて分割する各導体線路の幅を設定し、且つ適切な電流振幅の配列を与える問題である。
【００７８】
(3) 言い換えると、単に均等な線幅で導体線路を微細線幅に分割しただけでは導体Ｑが改善されるとは限らない。電流の配列によっては分割する前の単線よりも損失が増大する場合もある。また、電流を最適な配列に分布させるための制御機能を導体線路が備えていなければならない。
【００７９】
しかし、その最適解を１つの関数で表すことはできず、反復計算によって「よりよい」設計を求めることになる。そのための主要な設計要件は次のとおりである。
【００８０】
(1) 電流経路に垂直な断面で見た時に多線構造となり、その縁端部で導体線路の幅を単調減少させて配置し、ＦＥＭシミュレータによる反復計算で最適な電流配列を求める。
【００８１】
(2) 最適な電流配列を求めるために、各導体線路に結合する容量の配列を求める。この容量配列を求める問題は、各導体線路の自己インダクタンスと導体線路間の相互インダクタンスによってできるインダクタンス行列と、所望の容量配列を対角成分とする容量行列を組み合わせて計算される特性行列が所望の電流配列を固有ベクトルとして持つようにする、という固有値問題の形式となる。定性的には容量に応じて対応する導体線路の電流が増減するという特性によって容量配列が設定される。
【００８２】
次に、第８の実施形態に係る共振器の構成を図１３に示す。（Ａ）〜（Ｄ）は、それぞれ基板と導体線路集合体１２部分の拡大断面図である。（Ａ）は比較例として示している。すなわち、（Ａ）に示す共振器は、基板１の上面に、図１０，図１１に示したような導体線路集合体１２を構成している。（Ｂ）は、導体線路集合体１２の各導体線路を、薄膜誘電体層と薄膜導体層とを交互に積層してなる薄膜多層電極で構成したものである。このように薄膜多層電極により導体線路を構成したことにより、導体線路の上下からの磁界侵入による表皮効果を緩和し、基板と導体線路との界面および空気と導体線路との界面の導体Ｑを改善することができる。
【００８３】
図１３の（Ｃ）に示す例は、導体線路集合体１２の各導体線路の互いに隣接する導体線路間の間隙に誘電体４を充填したものである。この構造により、共振単位の容量性領域の容量が増大し、容量性領域の長さを短縮化でき、共振器全体の小型化が図れる。
【００８４】
図１３の（Ｄ）は、導体線路集合体１２の各導体線路を薄膜多層電極にするとともに、各導体線路間を誘電体４で充填したものである。このような構造により、上記薄膜多層化による効果と誘電体充填による効果の双方を奏する。
【００８５】
次に、第９の実施形態に係る共振器について図１４，図１５を参照して説明する。
【００８６】
図１４の（Ａ）は共振器の正面図、（Ｂ）はその左側面図、（Ｃ）はこの共振器に設けた複数の導体線路のうち１つの導体線路の形状を示す斜視図である。この図１４に示すように、円柱形状の誘電体基材１１の側面に導体線路２による複数の共振単位を形成している。これらの複数の共振単位を構成する各導体線路２は（Ｃ）に示すように基材１１の側面に沿って一周以上周回させ、その両端を互いに幅方向に近接させている。この例では、すべての導体線路２が同一パターンであり、隣接する導体線路同士が重ならないように共振単位の容量性領域を導体線路の周回方向に少しずつずらせて複数の導体線路２を配置している。
【００８７】
この共振器は、平面上の基板に導体線路を形成した言わば平面座標系の共振器を、円柱側面（円筒面）に導体線路を形成した言わば円柱座標系の共振器にしたものである。したがって、その作用効果は図４に示した共振器の場合と同様である。但し、図４に示したように、平面上の基板に複数の導体線路を配置した場合には、一定の容量を得るための容量性領域の長さ（導体線路の端部同士が幅方向に近接する部分の長さ（角度範囲））は半径方向の位置に応じて変化する。また、一定のインダクタンスを得るための誘導性領域の角度範囲も半径方向に位置に応じて変化する。これに対し、図１４に示す例では、半径が一定であるので、容量性領域と誘導性領域の形成範囲を角度範囲で表すと、その範囲は一定となる。そのため、複数の導体線路を配置して生じる電磁界および電流の分布の対称性が良いと特徴を備えている。
【００８８】
図１５において（Ａ）は共振器の正面図、（Ｂ）はその左側面図、（Ｃ）はこの共振器に設けた複数の導体線路のうち１つの共振単位の形状を示す斜視図である。この例では、２つの導体線路２で１つの共振単位を構成している。この共振器は、図７の（Ｂ）に示したものを、平面座標系から円柱座標系に変形したものに相当する。
【００８９】
なお、図１４、図１５に示した例では円柱形状の基材を用いたが、絶縁性または誘電性を有する円筒状の基材に導体線路を形成してもよい。
【００９０】
次に、第１１の実施形態としてフィルタの構成例を図１６に示す。図１６の （Ａ）はキャビティ３を取り除いた状態での上面図、（Ｂ）はフィルタの断面図である。図１６において、基板１の上面に３つの共振器７ａ，７ｂ，７ｃを配列形成している。これらの共振器７ａ，７ｂ，７ｃは図１０および図１１に示したものと同様である。また、基板１の上面には、両端の共振器７ａ，７ｃに磁界結合する結合ループ５ａ，５ｂを形成している。さらに、基板１の上面には、この基板１の上部に被せる遮蔽キャビティ３が導通する接地電極６を形成している。上記結合ループ５ａ，５ｂは、その一端を接地電極６に接続し、他端をキャビティ外に引き出すように形成している。
【００９１】
３つの共振器７ａ，７ｂ，７ｃは、隣接する共振器間で、電流の相互誘導により磁界結合する。また、共振器７ａ，７ｃと結合ループ５ａ，５ｂとの間も電流の相互誘導によりそれぞれ磁界結合する。したがって、このフィルタは、順に結合した３段の共振器による帯域通過特性を備える。その際、各段の共振器のＱは高いため、低挿入損失特性が得られる。
【００９２】
図１７は、第１２の実施形態に係るフィルタの構成を示す図である。この例では、基板１の上面に共振器７ｂを形成し、基板１の下面に２つの共振器７ａ，７ｃを形成している。この３つの共振器７ａ，７ｂ，７ｃは、図１０および図１１に示したものと同様である。この３つの共振器７ａ，７ｂ，７ｃは、隣接する共振器の平面位置が部分的に重なるように配置している。また、共振器７ａ，７ｃと２つの結合ループ５ａ，５ｂの平面位置も部分的に重なるように配置している。
【００９３】
このような構造により、図１６に示した場合より基板１の寸法を小型化でき、フィルタ全体の小型軽量化が図れる。
【００９４】
次に、第１３の実施形態に係るフィルタの構成を図１８および図１９を参照して説明する。
【００９５】
図１８の（Ａ）はキャビティを取り除いた状態での上面図、（Ｂ）はその下面図、（Ｃ）は（Ａ）におけるＡ−Ａ部分の断面図である。図１８において基板１の上面に共振器７ｂを形成している。基板１の下面には２つの共振器７ａ，７ｃを形成している。これらの共振器７ａ，７ｂ，７ｃは図４に示したものと同様である。すなわち各導体線路の両端付近同士が幅方向に近接して共振単位を構成している。各共振単位の容量性領域は、図４に示した場合と同様にして少しずつずらせて配置している。
【００９６】
また、図１８において、基板１の上面に形成した共振器７ｂは共振器の全体形状を長円形としている。例えば、図１９に示すように、各導体線路を略長円形をなすように配置する。図１９に示した例では、導体線路２ａ，２ｂ，２ｃによる３つの共振単位を配置している。
【００９７】
さて、図１８に示した共振器７ａ，７ｂ，７ｃは、隣接する共振器間で、電流の相互誘導によって磁界結合する。ここで、共振器７ａを１段目の共振器、共振器７ｂを２段目の共振器、共振器７ｃを３段目の共振器とすると、２段目の共振器７ｂを長円形としたことにより、１段目と２段目の共振器間の段間結合、および２段目と３段目の共振器間の段間結合をそれぞれ強くしている。また、この例では、１段目と３段目の共振器７ａ−７ｃ間も結合（とび結合）するため、１段目と３段目がとび結合した３段の共振器からなるフィルタとして作用する。このとび結合の大きさを制御することによって、通過帯域の近傍に現れる減衰極の周波数を調整することができる。
【００９８】
次に、第１４の実施形態としてデュプレクサの構成を図２０に示す。図２０はデュプレクサのブロック図である。ここで、送信フィルタと受信フィルタは、それぞれ図１６、図１７、図１８などに示した構成からなる。送信フィルタＴｘＦＩＬと受信フィルタＲｘＦＩＬの通過帯域は、それぞれの帯域に合わせて設計する。また、送受共用端子としてのアンテナ端子ＡＮＴｐｏｒｔへの接続は、送信信号の受信フィルタへの回り込みおよび受信信号の送信フィルタへの回り込みを防止するように位相調整する。
【００９９】
図２１は、第１５の実施形態に係る通信装置の構成を示すブロック図である。ここで、デュプレクサＤＵＰとしては図２０に示した構成のものを用いる。回路基板上には、送信回路Ｔｘ−ＣＩＲと受信回路Ｒｘ−ＣＩＲを構成し、デュプレクサＤＵＰの送信信号入力端子に送信回路Ｔｘ−ＣＩＲが接続され、デュプレクサＤＵＰの受信信号出力端子に受信回路Ｒｘ−ＣＩＲが接続され、且つアンテナ端子にアンテナＡＮＴが接続されるように、上記回路基板上にデュプレクサＤＵＰを実装する。
【０１００】
【発明の効果】
この発明によれば、単数の導体線路からなる環状の共振単位の、複数個で共振器を構成し、共振単位が容量性領域と誘導性領域とを有し、導体線路の一方の端部が、自らの他方の端部と幅方向に近接することによって前記容量性領域を形成し、複数個の共振単位の前記容量性領域を幅方向に近接させ、また、各共振単位の導体線路の一方の端部を、異なる共振単位の導体線路の端部に周方向に近接させるため、導体線路の端部同士の近接部分の容量が増し、共振器の小型化が図れる。また、基板を挟んで上記導体線路に対向する面に接地電極が不要であるため、極めて構成要素の少ない構造で、低コスト化が図れる。
【０１０１】
また、この発明によれば、複数の導体線路からなる環状の共振単位の、複数個から構成される共振器であって、前記共振単位は容量性領域と誘導性領域とを有し、前記導体線路それぞれは、一方の端部が同じ共振単位を構成する異なる導体線路の端部の外側に配置し、他方の端部が同じ共振単位を構成する異なる導体線路の端部の内側に配置し、同じ共振単位を構成する異なる導体線路の端部が幅方向に近接することによって前記容量性領域を形成し、また、複数の共振単位の端部同士を周方向に近接させたことにより、例えば高周波化にともない、誘導性領域の長さを短くする場合でも、環状をなす共振単位全体の導体線路の全長が長くできるので、各導体線路の曲率が極端に大きくならず、その分、電流集中を緩和することができ、導体Ｑを高めることができる。
【０１０２】
また、この発明によれば、前記導体線路が平面状の基板上に形成されているものとしたことにより、基板に対する導体線路の形成が容易となり、低コスト化が図れる。
【０１０３】
また、この発明によれば、前記基材の形状を柱状または筒状とし、該基材の側面に導体線路を形成したことにより、柱状または筒状を成す構造体への適用が可能となる。
【０１０４】
また、この発明によれば、導体線路両端の互いに近接する部分でインターディジタルトランスデューサを構成したことにより、容量性領域の長さが短縮化され、共振器全体の小型化が図れる。
【０１０５】
また、この発明によれば、複数の導体線路の幅および、隣接する導体線路間を、部分的に、または全体に、導体の表皮深さ程度または表皮深さより細くしたため、表皮効果および縁端効果による電流集中が緩和し、共振器の導体Ｑがいっそう改善できる。
【０１０６】
また、この発明によれば、互いに幅方向に隣接する前記導体線路同士の間を、略一定にしたことにより、導体線路の製造プロセス上、最も細かなパターンが形成できる状態ですべての導体線路を形成できるようになり、共振器の導体Ｑを効率よく高めることができる。
【０１０７】
また、この発明によれば、導体線路を、薄膜誘電体層と薄膜導体層とを積層してなる薄膜多層電極としたことにより、導体線路の幅方向の縁端効果による電流集中の緩和とともに、厚み方向についての表皮効果による電流集中の緩和により、共振器の導体Ｑをさらに改善できる。
【０１０８】
また、この発明によれば、複数の導体線路の互いに隣接する導体線路間の間隙に誘電体を充填したことにより、隣接する導体線路間の間隙に生じる共振器の容量が増大し、容量性領域の長さが短縮化でき、それにより共振器の小型化が図れる。
【０１０９】
また、この発明によれば、小型・低挿入損失なフィルタおよびデュプレクサが得られる。
【０１１０】
また、この発明によれば、ＲＦ送受信部の挿入損失が低減され、雑音特性、伝送速度などの通信品質が高い通信装置が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施形態に係る共振器の構成を示す図
【図２】同共振器の導体線路両端部付近の電界分布および導体線路上の電流分布を示す図
【図３】第２の実施形態に係る共振器の構成を示す図
【図４】第３の実施形態に係る共振器の構成を示す図
【図５】同共振器の電流分布を示す図
【図６】第４の実施形態に係る共振器の構成を示す図
【図７】第５の実施形態に係る共振器の構成を示す図
【図８】同共振器の電界分布および電流の方向の例を示す図
【図９】第５の実施形態に係る他の共振器の導体線路パターンの例を示す図
【図１０】第６の実施形態に係る共振器の構成を示す図
【図１１】同共振器各部の拡大図
【図１２】第７の実施形態に係る共振器の導体線路パターンの例を示す図
【図１３】第８の実施形態に係る共振器における導体線路の断面構造を示す図
【図１４】第９の実施形態に係る共振器の構成を示す図
【図１５】第１０の実施形態に係る共振器の構成を示す図
【図１６】第１１の実施形態に係るフィルタの構成を示す図
【図１７】第１２の実施形態に係るフィルタの構成を示す図
【図１８】第１３の実施形態に係るフィルタの構成を示す図
【図１９】同フィルタの形成する導体線路パターンの例を示す図
【図２０】第１４の実施形態に係るデュプレクサの構成を示すブロック図
【図２１】第１５の実施形態に係る通信装置の構成を示すブロック図
【符号の説明】
１−基板
２−導体線路
３−遮蔽キャビティ
４−誘電体
５−結合ループ
６−接地電極
７−共振器
１１−基材
１２−導体線路集合体
ｘ１，ｘ２−導体線路の端部
【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、たとえばマイクロ波帯やミリ波帯における共振器、フィルタ、デュプレクサ、および通信装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
マイクロ波帯やミリ波帯で用いられる共振器としては、特許文献１に記載のヘアピン共振器が知られている。このヘアピン共振器は、直線状の導体線路による共振器を用いる場合に比べて小型化できるという特徴を備えている。
【０００３】
また、薄膜微細加工による平面回路型の多重Ｃリング共振器が、特許文献２に示されている。この多重Ｃリング共振器は、上記特許文献１のヘアピン共振器に比べて共振器の導体Ｑが高いという特徴を備えている。
【０００４】
さらに、特許文献３には、薄膜微細加工による平面回路型の多重スパイラル共振器が示されている。この共振器は、各導体線路に流れる電流分布が同一となるため、ヘアピン共振器に比べて導体Ｑのさらに高い共振器が得られる、という特徴を備えている。
【０００５】
【特許文献１】
特開昭６２−１９３３０２号公報
【特許文献２】
特開２０００−４９５１２公報
【特許文献３】
特開２０００−２４４２１３公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、上記特許文献３の多重スパイラル共振器は、導体Ｑが高いという特徴を備えているが、薄膜微細加工によるプロセスコストが高価になる、という問題があった。共振器をさらに小型化しようとすれば、ますます微細な加工が要求され、それに伴って製造コストが上昇してしまう。
【０００７】
この発明の目的は、小型化が容易で、製造コストに見合った所望の導体Ｑを備えた共振器、フィルタ、デュプレクサ、および通信装置を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上述の目的を達成するために、この発明に係る共振器は、
単数の導体線路からなる環状の共振単位の、複数個から構成される共振器であって、前記共振単位は容量性領域と誘導性領域とを有し、前記導体線路は、その一方の端部が、自らの他方の端部と幅方向に近接することによって前記容量性領域を形成し、複数個の共振単位の前記容量性領域を幅方向に近接させるとともに、各共振単位を略同心状に配置したことを特徴とする。
また、単数の導体線路からなる環状の共振単位の、複数個から構成される共振器であって、前記共振単位は容量性領域と誘導性領域とを有し、前記導体線路は、その一方の端部が、自らの他方の端部と幅方向に近接することによって前記容量性領域を形成し、各共振単位の導体線路の一方の端部を、異なる共振単位の導体線路の端部に周方向に近接させるとともに、各共振単位を略同心状に配置したことを特徴とする。
【０００９】
この構造により、容量性領域を容量素子として作用させ、各導体線路を両端開放の半波長線路として動作させる。また、基板を挟んで上記導体線路に対向する面には接地電極を不要として、構成要素の極めて少ない構造で、低コストで所望の導体Ｑを持つ共振器を得ることができる。
【００１０】
また、この発明に係る共振器は、複数の導体線路からなる環状の共振単位の、複数個から構成される共振器であって、前記共振単位は容量性領域と誘導性領域とを有し、前記導体線路それぞれは、一方の端部が同じ共振単位を構成する異なる導体線路の端部の外側に位置し、他方の端部が同じ共振単位を構成する異なる導体線路の端部の内側に位置し、同じ共振単位を構成する異なる導体線路の端部同士が幅方向に近接することによって前記容量性領域を形成していることを特徴とする。
また、複数の共振単位の端部同士を周方向に近接させるとともに、各共振単位を略同心状に配置したことを特徴とする。
【００１１】
また、この発明に係る共振器は、前記導体線路が平面状の基板上に形成されているものとする。これにより、基板を挟んで上記導体線路に対向する面に接地電極を不要として、構成要素の極めて少ない構造で、低コスト化を図る。また、各導体線路の端部を、導体線路の幅方向に近接させ、導体線路をその先端で近接させるよりも大きな容量を生じさせて、共振器の小型化を図る。
【００１２】
また、この発明に係る共振器は、前記基材の形状を柱状または筒状とし、該基材の側面に導体線路が形成されたものとする。これにより、柱状または筒状を成す構造体へ適用する。
【００１３】
前記導体線路は、その端部同士の、互いに近接する部分でインターディジタルトランスデューサを構成してもよい。これにより、各導体線路の端部の幅方向で近接する部分の長さを短縮化し、共振器全体の小型化を図る。
【００１４】
また、この発明に係る共振器は、前記導体線路の幅を、部分的あるいは全体に、該導体線路の表皮深さ程度または該表皮深さより細くした構造とする。これにより、表皮効果および縁端効果による電流集中を緩和させ、共振器の導体Ｑを改善する。
【００１５】
また、この発明に係る共振器は、互いに幅方向に隣接する前記導体線路同士の間を、該導体線路の表皮深さ程度または該表皮深さより狭くした構造とする。これにより、縁端効果による電流集中を緩和し、共振器の導体Ｑを高める。
【００１６】
また、この発明に係る共振器は、互いに幅方向に隣接する前記導体線路同士の間を、略一定にした構造とする。これにより、導体線路の製造プロセス上、最も細かなパターンが形成できる状態ですべての導体線路を形成できるようにし、共振器の導体Ｑを効率よく高める。
【００１７】
また、この発明に係る共振器は、前記導体線路を薄膜誘電体層と薄膜導体層とを積層してなる薄膜多層電極とする。この構造により、導体線路の幅方向の縁端効果による電流集中の緩和とともに、厚み方向についての表皮効果による電流集中を緩和し、共振器の導体Ｑをさらに改善する。
【００１８】
また、この発明に係る共振器は、前記複数の導体線路の互いに隣接する導体線路間の間隙に誘電体を充填した構造とする。これにより、隣接する導体線路間の間隙に生じる共振器の容量を増大させ、導体線路の幅方向で近接する部分の線路長を短縮化し、それにより共振器の小型化を図る。
【００１９】
また、この発明に係るフィルタは、上記のいずれかに記載の構成からなる共振器と、その基板上に形成した、共振器に結合する信号入出力手段とを備える。この構造により、小型化および低挿入損失化を図る。
【００２０】
また、この発明に係るデュプレクサは、上記フィルタを送信フィルタもしくは受信フィルタとして、またはその両方のフィルタとして用いて構成する。これにより、低挿入損失化を図る。
【００２１】
また、この発明に係る通信装置は、上記フィルタ、デュプレクサの少なくともいずれか１つを備えて構成する。これにより、ＲＦ送受信部の挿入損失を低減し、雑音特性、伝送速度などの通信品質を向上させる。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下、この発明に係る共振器、フィルタ、デュプレクサ、および通信装置の例を各図を参照して説明する。
【００２３】
まず、本発明の理解のためにこの種の共振器の基本的な構成を説明する。なお、次に説明する第１の実施形態は本発明の理解のためのものであり、本発明は第２の実施形態以降を請求の対象とする。図１は第１の実施形態に係る共振器の構成を示す図であり、（Ａ）は上面図、（Ｂ）は断面図である。図１に示すように、この共振器は、誘電体基板１（以下、単に「基板」と言う。）と、この上面に形成した導体線路２で構成している。基板１の導体線路２の形成面に対向する面（下面）には特に接地電極を形成していない。導体線路２は、その幅が一定であり、一周以上周回した形状にして、その両方の端部を互いに導体線路の幅方向に近接させている。すなわち、図中、円で囲んで示すように、導体線路の一方の端部ｘ１と他方の端部ｘ２を互いに幅方向に近接させている。
【００２４】
図２は上記共振器の動作について示す図である。図２の（Ａ）は導体線路の両方の端部同士が近接している部分の４つの位置Ａ，Ｂ，Ｄ，Ｅと、導体線路の長手方向の中央位置Ｃを示している。図２の（Ｂ）は、導体線路の両方の端部同士の近接部分での電界分布を示している。（Ｃ）は導体線路上の電流分布を示している。
【００２５】
図２の（Ｂ）に示すように、導体線路の両端ｘ１，ｘ２の幅方向に近接する部分に電界が集中する。また、導体線路の一方の先端部と、それに近接する他方の端部付近ｘ１１との間に、および他方の先端部と、それに近接する他方の端部付近ｘ２１との間にも電界が分布し、これらの部分に容量が生じる。
【００２６】
電流分布について見ると、（Ｃ）に示すように、電流強度は、導体線路のＡからＢにかけて急峻に増大し、Ｂ〜Ｄの領域において略一定値を保ち、ＤからＥにかけて急激に減少する。両端部は０である。導体線路の両端部同士が幅方向に近接する領域Ａ〜Ｂ，Ｄ〜Ｅは容量性領域、その他の領域Ｂ〜Ｄを誘導性領域と呼ぶことができる。この容量性領域と誘導性領域とにより共振動作する。すなわち、この共振器を集中定数回路のように見なせばＬＣ共振回路を構成している。
【００２７】
以下、このように、導体線路からなり、容量性領域と誘導性領域を有する環状の単位を共振単位という。
【００２８】
図３は、第２の実施形態に係る共振器の構成を示す図である。（Ａ）は上面図、（Ｂ）は断面図である。図１に示した共振器では、基板１上に単一の導体線路２を形成することによって共振器を構成したが、この図３に示す例では、基板１の上面に３つの導体線路２ａ，２ｂ，２ｃによる導体線路集合体１２を形成している。基板１の下面には、特に接地電極を形成していない。
【００２９】
このように、本願発明では基板などに形成した導体線路だけで共振器を構成することができるので、導体線路を形成した基板などの面の反対面側には接地電極を設ける必要がない。もちろん導体線路を形成した基板などの面の反対面側に接地電極を設けてもよい。その場合には、接地電極が電磁界の遮蔽作用を果たすことになる。そのため、簡単な構造で共振器に遮蔽構造を設けることができる。
【００３０】
この基板の下面に特に接地電極を形成していないことは、以降に示す各実施形態に共通である。各導体線路は、それらの両端同士が互いに幅方向に近接して、その部分に容量性領域を構成している。すなわち３つ導体線路２ａ，２ｂ，２ｃはそれぞれ共振単位を構成している。３つの導体線路２ａ，２ｂ，２ｃは互いに交差しないように、基板１の所定点Ｏを中心とする略同心円状に配置している。このように、３つの導体線路２ａ，２ｂ，２ｃによる３つの共振単位で１つの共振器を構成している。
【００３１】
上記容量性領域以外の誘導性領域においては、ある導体線路とそれに隣接する他の導体線路とが近接しているにもかかわらず容量はほとんど生じない。すなわち、図２の（Ｂ）に示したように、正電荷と負電荷は導体線路の端部（容量性領域）に集中し、誘導性領域では電荷は０になっている。電荷が０であれば、隣接する導体線路間で変位電流が流れないので容量は生じない。したがって、このように複数の共振単位を多重化しても容量性領域と誘導性領域としての機能をそれぞれ保つことができる。
【００３２】
なお、この例では、導体線路２ａ，２ｂ，２ｃの容量性領域（図中、円で囲んだ範囲内に存在する領域）を、導体線路が形成する環の略中心Ｏを通る直線Ｌに交差するように互いに近接配置している。
【００３３】
この共振器の作用・効果は次のとおりである。
【００３４】
(1) 各導体線路は、両端開放の半波長線路として作用する。しかもこの例では、１つの導体線路が１つの共振単位を構成している。
(2) 各導体線路の先端部に正と負の電荷が発生し、この導体線路両端の近接部が容量素子として作用する。
【００３５】
(3) 基板の同一面上で容量が形成されるため、裏面（下面）に接地電極が無くても共振動作する。
【００３６】
(4) 各導体線路の持つ容量に応じて、各導体線路に流れる電流強度が定まる。
【００３７】
(5) 各導体線路の電流は、円形ＴＥ０１δモードに類似した磁界分布を誘導する。すなわちｒｚ面で一周回り、軸対称状に磁界が分布する。
【００３８】
(6) 隣接する導体線路に略同位相の電流が流れるため、導体線路の多重化によって電流が分配され、その分配される電流分布により縁端効果による電流集中が緩和される。この縁端効果による電流集中の緩和により、導体Ｑが改善される。
【００３９】
(7) 各共振単位の容量性領域が互いに近接しているため、複数の導体線路上の局所的な領域に共振器の容量が集中する。このため、容量性部分と誘導性部分の機能分担がより明確となる。したがって、この共振器を利用する他の回路との結合の設計が容易となる。
【００４０】
図４は、第３の実施形態に係る共振器の構成を示す図である。（Ａ）は上面図、（Ｂ）は断面図である。
【００４１】
この例では、導体線路２ａ，２ｂ，２ｃの両方の端部同士が幅方向に近接しているとともに、導体線路２ａ，２ｂ，２ｃの一方の先端と、それに隣接する他の導体線路の一方の先端とが、Ｇで示す位置で所定間隙を隔てて向き合うように配置している。このパターンは、一本のスパイラル状の導体線路を、途中の所定箇所（図中Ｇで示す部分）で部分的に切断して得られるものに等しい。すなわち、或る２つの隣接する共振単位同士で比較すると、共振単位の容量性領域（図中楕円で囲んだ範囲内に存在する領域）は周回方向に少しずれた位置に形成されることになる。したがって、半径方向の変化に対する容量性領域の位置変化を見ると、容量性領域は半径方向の変化に伴って周回方向に次第にずれた位置に形成されていることになる。
【００４２】
この構造によれば、限られた占有面積内に線数の多い導体線路集合体１２を配置でき、共振器を全体に小型化できる。
【００４３】
また、各導体線路の全長に亘って、隣接する導体線路同士の間隙が大きくならないため、導体線路の全体にわたって縁端効果による電流集中を緩和することができ、その分、導体Ｑが高められる。
【００４４】
次に、第３の実施形態で示した複数の共振単位からなる共振器と、比較例である多重スパイラル共振器の解析結果を示す。なお、第３の実施形態では、共振単位が、インピーダンスの高い誘導性領域と、インピーダンスの低い容量性領域とから構成されており、インピーダンスがステップ状に変化するので、共振単位をステップリングと呼び、共振器が複数の共振単位からなるので、その共振器を多重ステップリング共振器と呼ぶことにする。
【００４５】
図５の（Ａ）は、図４の共振器のｒｚ面の片側断面を示している。基板１の上面には導体線路集合体１２を形成している。この基板１および導体線路集合体１２の周囲を遮蔽キャビティ３で囲んでいる。導体線路２の構造寸法は次のとおりである。
【００４６】
内半径ｒａ＝２５０μｍ
外半径ｒｂ＝１０００μｍ
導体線路幅Ｌｏ＝１．５μｍ
導体線路間隔Ｓｏ＝１．５μｍ
導体線路の膜厚ｔ＝５μｍ
導体線路数ｎ＝２５０本
図５の（Ｂ）は、導体線路の半径方向の位置における各部の電流分布を示している。ここで(1) は多重ステップリング共振器の電流分布、(2) は多重スパイラル共振器の電流分布である。この多重スパイラル共振器は、特開２０００−２４４２１３に開示した、複数のスパイラル状導体線路の集合体から成る共振器である。
【００４７】
ここで、各導体線路に流す強制電流は次のとおりである。
【００４８】
(1) 多重ステップリング共振器
電流数列ｉｋ＝４［ｍＡ］
合計電流Ｉ＝１［Ａ］
(2) 多重スパイラル共振器
電流数列（図５の（Ｂ）に示すとおり）
最大値＝約８［ｍＡ］
最小値＝０［Ａ］
平均値＝４［ｍＡ］
合計電流Ｉ＝１［Ａ］
上記(1),(2) および図５の（Ｂ）に示したように多重ステップリング共振器の各導体線路に流れる電流はすべて同一であるのに対し、多重スパイラル共振器における導体線路には、半径方向の位置に応じて両端が０で、中央部から外側寄りの位置でピークとなる山形の電流分布となる。このように、多重ステップリング共振器では、各導体線路に流れる電流が一定であるので、導体線路集合体全体としての導体損失が低く抑えられ、導体Ｑの高い共振器が得られる。
【００４９】
次に、上記共振器の導体Ｑ、磁界エネルギー、インダクタンスについての計算結果を示す。
【００５０】
まず磁界蓄積エネルギーＷｍは、
Ｗｍ＝ＬＩ2 ／２
合計電流（実効値）Ｉは、
Ｉ＝Σｉk (k=1〜n)
上記２つの式より、共振器のインダクタンスＬは
Ｌ＝２Ｗｍ／Ｉ2
と表される。導体ＱをＱｃで表すと、各共振器の解析結果は次のとおりである。
【００５１】
(1) 多重ステップリング共振器
Ｑｃ＝２５０
Ｗｍ＝１．９６ｎＪ
Ｌ＝０．９８ｎＨ
(2) 多重スパイラル共振器
Ｑｃ＝２１９
Ｗｍ＝３．１７ｎＪ
Ｌ＝１．５８ｎＨ
その結果、多重ステップリング共振器の容量性領域の寸法設計は次のようになる。
【００５２】
共振周波数２ＧＨｚの共振器を設計する場合、インダクタンス０．９８ｎＨより、必要容量は６．４５ｐＦとなる。導体線路間隙１．５μｍにおける実効比誘電率を４０とすると、６．４５ｐＦに対応する容量性領域の合計長さは５．４７ｍｍとなる。これを２５０本の各ステップリングで均等分配する場合、１つあたりの容量性領域の長さは、Ｗｇ＝５．４７ｍｍ／２５０＝２１．９μｍとなる。
【００５３】
図６は、第４の実施形態に係る共振器の構成を示す図である。この例では、図４に示したものと同様に、３つの導体線路２ａ，２ｂ，２ｃがそれぞれ共振単位を構成しているが、導体線路２ｂについては、図中の円で示すように、その端部ｄ１，ｄ２，ｄ３，ｄ４をＡ−Ｂで示す範囲で幅方向に近接させている。すなわち、櫛形パターンを相互に噛み合わせた形状のインターディジタルトランスデューサ（ＩＤＴ）を構成している。
【００５４】
このような構造により、限られた面積のＩＤＴ部分で大容量が得られる。そのため、所定共振周波数を得るための導体線路長が短縮化でき、導体線路集合体１２の占有面積を縮小化して、共振器の小型化が図れる。また、隣接する共振単位との間隙が大きくならないため、導体線路の全体にわたって縁端効果による電流集中を緩和することができ、その分、導体Ｑが高められる。
【００５５】
また、導体線路集合体の幅方向の中央（３つの導体線路の場合、その中央の導体線路）の導体線路２ｂに対して両端の導体線路２ａ，２ｃの幅を相対的に細くしたことにより、縁端効果による電流集中が著しい部分についての電流集中を効率的に抑制できる。
【００５６】
次に、第５の実施形態に係る共振器の構成を図７〜図９を参照して説明する。
【００５７】
第１〜第４の実施形態では、単数の導体線路で環状の共振単位を構成したが、共振単位を構成する導体線路は単数である必要はなく、複数であってもよい。これにより、一つの共振単位が複数の容量性領域と複数の誘導性領域を持つようになる。例えば図７に示すように、２つの導体線路で環状の共振単位を構成してもよい。図７の（Ａ）に示す例では、誘電体基板１の表面に２ａ，２ｂで示す２つの導体線路をそれぞれ半周以上周回した形状としている。同様にして一周する間に３つの容量性領域を持つように各導体線路を１／３周を越える程度の角度範囲を周回した形状としてもよい。
【００５８】
図７の（Ａ）では、導体線路２ａの一方の端部ｘａ１と導体線路２ｂの一方の端部ｘｂ１とを幅方向に近接させている。同時に、導体線路２ａの他方の端部ｘａ２と導体線路２ｂの他方の端部ｘｂ２とを幅方向に近接させている。この２組の端部同士の近接する領域で２つの容量性領域を形成している。したがって、導体線路２ａ，２ｂがそれぞれ両端開放の半波長線路として作用する。
【００５９】
図７の（Ｂ）は、図７の（Ａ）に示した共振単位を２つ設けて共振器を構成した例である。導体線路２ａの両方の端部と導体線路２ｂの両方の端部がそれぞれ幅方向に近接して２つの容量性領域を形成し、導体線路２ｃの両方の端部と導体線路２ｄの両方の端部がそれぞれ幅方向に近接して２つの容量性領域を形成している。このようにして図７（Ｂ）で４つの楕円で囲んだ範囲内に容量性領域を形成している。また、各共振単位の導体線路の一方の先端と、それに隣接する他の共振単位の導体線路の一方の先端とが、Ｇで示す位置で所定間隙を隔てて向き合うように各導体線路２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄを配置している。この配置によって２つの共振単位の隣接位置で導体線路同士の間隔を一定にしている。この場合にも、図４に示した実施形態の場合と同様に、導体線路全体にわたって縁端効果による電流集中を緩和することができ、その分導体Ｑが高められる。
【００６０】
図８は、図７の（Ｂ）に示した共振器の動作について示す図である。図８の （Ａ）は隣接する導体線路間の電界分布および導体線路上の電流の方向の例について示している。図８の（Ｂ）は（Ａ）におけるＡ−Ａ部分の断面において導体線路周囲の磁界分布を示している。ここで、Ｅは電界、Ｈは磁界、Ｉは電流を表している。この図に示すように、各導体線路の端部付近で、隣接する導体線路に対して導体線路の幅方向に近接する箇所に電界が集中する。すなわち、隣接する導体線路の端部同士が導体線路の幅方向に近接する領域が容量性領域、電流が流れるそれ以外の導体線路の領域が誘導性領域として作用する。
【００６１】
また、図９は、４つの導体線路からなる共振単位を３組配置した例である。図９において、４つの導体線路２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄが第１の共振単位を成し、４つの導体線路２ｅ，２ｆ，２ｇ，２ｈが第２の共振単位を成し、４つの導体線路２ｉ，２ｊ，２ｋ，２ｌが第３の共振単位を成す。
【００６２】
このような共振器における容量性領域の特徴は、各導体線路が一周以上に亘って周回したものと同様に、容量性領域が導体線路の周回方向に対して占める割合が小さい程、集中定数的容量として機能し、それ以外の誘導性領域の導体線路部分には節・腹のない電流が分布する。また、導体線路に流れる電流は、各導体線路周回方向で見た時、同じ方向に流れる。各電流によって誘導される磁界ベクトルは相互誘導することにより、磁界エネルギを効率よく蓄積する。
【００６３】
このように、各導体線路に分散して電流が流れるため、マイクロストリップ線路に見られるような縁端効果による電流集中が緩和され、導体損失が低減される。
【００６４】
また、導体線路の周回方向に複数の容量性領域が分割配置されることになるため、次にような効果を奏する。
【００６５】
すなわち、ミリ波帯へ適用するために高周波化設計を行う場合、基板上における共振器の大きさ（これは略円形を成す共振器形成領域の直径や共振器の占有面積で表される。）が一定の条件下で、容量性領域を形成する導体線路端部の近接する長さが短く設計されるが、その際、高周波化に伴って微細加工による寸法公差に対する要求精度が高くなる。しかし、この実施形態では、導体線路の周回方向に一周する間に複数の容量性領域を持つように複数の導体線路を構成することによって容量性領域を分割配置している。その結果、その分割した容量は直列接続の関係となり、容量性領域１つ当たりの容量は大きくなるように設計できる。
【００６６】
例えば、容量性領域を２分割した場合（導体線路の周回方向に一周する間に２つの容量性領域を持つように２つの導体線路で共振単位を構成した場合）、各容量性領域の容量をＣ１，Ｃ２とすれば、合成容量値Ｃは、
Ｃ＝１／（１／Ｃ１＋１／Ｃ２）となる。
【００６７】
また、容量性領域が３分割し、それぞれの容量をＣ１，Ｃ２，Ｃ３とすれば、合成容量値Ｃは、
Ｃ＝１／（１／Ｃ１＋１／Ｃ２＋１／Ｃ３）となる。
【００６８】
次に、第６の実施形態に係る共振器の構成を図１０，図１１に示す。図１０の（Ａ）は上面図、（Ｂ）は断面図、（Ｃ）は（Ａ）における円部分の拡大図、 （Ｄ）は（Ａ）におけるＡ−Ａ′部分の断面図である。但し、図１０の（Ｃ），（Ｄ）では、図面の視認が可能なように、導体線路数を少なく描いている。図１１は、共振器の拡大図である。
【００６９】
図１１において、円ＩＥは複数の導体線路のうち最内周側の端部、円ＯＥは最外周側の端部をそれぞれ表している。円Ｇは、導体線路の先端同士が所定間隙を隔てて向き合っている部分を表している。
【００７０】
図１０において、基板１の上面に導体線路集合体１２を構成している。その基本構造は図４に示したものと同様である。但し、この図１０に示す例では、複数の導体線路の配置による導体線路集合体１２の幅方向（Ａ−Ａ′方向）の略中央から両端にかけて、導体線路幅を次第に細くしている。導体線路集合体１２の内周部と外周部（上記導体線路集合体１２の幅方向の両端付近）の導体線路幅は導体の表皮深さ程度またはそれより細く微細加工している。また、すべての導体線路の間隔は導体の表皮深さ程度またはそれより狭く微細加工している。たとえば銅（導電率約５３ＭＳ／ｍ）は、周波数２ＧＨｚで約１．５μｍの表皮深さをもつので、上記内周部および外周部の導体線路幅と各導体線路の間隔を１．５μｍ以下としている。
【００７１】
このように、導体線路集合体１２の幅方向の両端付近および各導体線路の間隔を表皮深さ以下の寸法にしたことにより、導体線路集合体１２の縁端部における表皮効果による電流集中を効率良く緩和できる。また、導体線路集合体１２の幅方向の略中央部の導体線路幅を太くしたことにより、縁端効果の少ない部分の電流量を増大させることができる。その結果、導体Ｑが改善できる。
【００７２】
また、この例では、導体線路集合体１２の各導体線路を略四角形のパターンとしたことにより、それを円形パターンとした場合に比較して、共振磁界エネルギーを保持するための開口面積が大きくなる。したがって、その分、占有面積の縮小化が図れる。しかも、略四角形の角部にＲ（ラウンド）を付けたため、導体線路に急峻に曲がった部分がなく、導体線路の曲がった部分での電流集中が緩和され、導体Ｑの低下が生じない。
【００７３】
次に、第７の実施形態に係る共振器の構成を図１２に示す。この共振器も複数の共振単位から構成していて、その基本構造は図７の（Ｂ）に示したものと同様である。但し、この図１２に示す例では、複数の導体線路による導体線路集合体の幅方向の略中央から両端にかけて導体線路幅をしだいに細くしている。この共振器は図１０に示した例と異なり、２つの導体線路で１つの共振単位を構成している。この図１２に示す例では、導体線路２ａ，２ｂが第１の共振単位を成し、導体線路２ｃ，２ｄが第２の共振単位を成し、導体線路２ｅ，２ｆが第３の共振単位を成し、導体線路２ｇ，２ｈが第４の共振単位を成す。このようにして４つの共振単位で１つの共振器を構成している。
【００７４】
ここで、内周部と外周部の導体線路の幅は導体線路の表皮深さ程度またはそれより細く微細加工している。また、すべての導体線路の間隔は導体線路の表皮深さ程度またはそれより狭く微細加工している。この構成により、図１０に示した共振器の場合と同様に、導体線路集合体の縁端部における表皮効果による電流集中を効率よく緩和でき、また、共振器全体の導体Ｑが改善できる。
【００７５】
なお、以上に示した、複数の導体線路の配置による導体線路集合体を構成して導体Ｑを向上させるためには、導体線路上に流れる電流を上手く分配する必要がある。この発明では、各導体線路の容量性領域の容量によって、各導体線路に流れる電流を制御する。その設計要件として次のものが挙げられる。
【００７６】
(1) 表皮効果、縁端効果による導体損失の本質は電流が偏って表面や縁端部に電流が集中することにあるので、その集中する電流を平坦な振幅に分散させて、同時に磁界エネルギの疎密分布を平坦化させる。
【００７７】
(2) 最適設計の問題は、電流振幅の分布および磁界エネルギの疎密分布に応じて分割する各導体線路の幅を設定し、且つ適切な電流振幅の配列を与える問題である。
【００７８】
(3) 言い換えると、単に均等な線幅で導体線路を微細線幅に分割しただけでは導体Ｑが改善されるとは限らない。電流の配列によっては分割する前の単線よりも損失が増大する場合もある。また、電流を最適な配列に分布させるための制御機能を導体線路が備えていなければならない。
【００７９】
しかし、その最適解を１つの関数で表すことはできず、反復計算によって「よりよい」設計を求めることになる。そのための主要な設計要件は次のとおりである。
【００８０】
(1) 電流経路に垂直な断面で見た時に多線構造となり、その縁端部で導体線路の幅を単調減少させて配置し、ＦＥＭシミュレータによる反復計算で最適な電流配列を求める。
【００８１】
(2) 最適な電流配列を求めるために、各導体線路に結合する容量の配列を求める。この容量配列を求める問題は、各導体線路の自己インダクタンスと導体線路間の相互インダクタンスによってできるインダクタンス行列と、所望の容量配列を対角成分とする容量行列を組み合わせて計算される特性行列が所望の電流配列を固有ベクトルとして持つようにする、という固有値問題の形式となる。定性的には容量に応じて対応する導体線路の電流が増減するという特性によって容量配列が設定される。
【００８２】
次に、第８の実施形態に係る共振器の構成を図１３に示す。（Ａ）〜（Ｄ）は、それぞれ基板と導体線路集合体１２部分の拡大断面図である。（Ａ）は比較例として示している。すなわち、（Ａ）に示す共振器は、基板１の上面に、図１０，図１１に示したような導体線路集合体１２を構成している。（Ｂ）は、導体線路集合体１２の各導体線路を、薄膜誘電体層と薄膜導体層とを交互に積層してなる薄膜多層電極で構成したものである。このように薄膜多層電極により導体線路を構成したことにより、導体線路の上下からの磁界侵入による表皮効果を緩和し、基板と導体線路との界面および空気と導体線路との界面の導体Ｑを改善することができる。
【００８３】
図１３の（Ｃ）に示す例は、導体線路集合体１２の各導体線路の互いに隣接する導体線路間の間隙に誘電体４を充填したものである。この構造により、共振単位の容量性領域の容量が増大し、容量性領域の長さを短縮化でき、共振器全体の小型化が図れる。
【００８４】
図１３の（Ｄ）は、導体線路集合体１２の各導体線路を薄膜多層電極にするとともに、各導体線路間を誘電体４で充填したものである。このような構造により、上記薄膜多層化による効果と誘電体充填による効果の双方を奏する。
【００８５】
次に、第９の実施形態に係る共振器について図１４，図１５を参照して説明する。
【００８６】
図１４の（Ａ）は共振器の正面図、（Ｂ）はその左側面図、（Ｃ）はこの共振器に設けた複数の導体線路のうち１つの導体線路の形状を示す斜視図である。この図１４に示すように、円柱形状の誘電体基材１１の側面に導体線路２による複数の共振単位を形成している。これらの複数の共振単位を構成する各導体線路２は（Ｃ）に示すように基材１１の側面に沿って一周以上周回させ、その両端を互いに幅方向に近接させている。この例では、すべての導体線路２が同一パターンであり、隣接する導体線路同士が重ならないように共振単位の容量性領域を導体線路の周回方向に少しずつずらせて複数の導体線路２を配置している。
【００８７】
この共振器は、平面上の基板に導体線路を形成した言わば平面座標系の共振器を、円柱側面（円筒面）に導体線路を形成した言わば円柱座標系の共振器にしたものである。したがって、その作用効果は図４に示した共振器の場合と同様である。但し、図４に示したように、平面上の基板に複数の導体線路を配置した場合には、一定の容量を得るための容量性領域の長さ（導体線路の端部同士が幅方向に近接する部分の長さ（角度範囲））は半径方向の位置に応じて変化する。また、一定のインダクタンスを得るための誘導性領域の角度範囲も半径方向に位置に応じて変化する。これに対し、図１４に示す例では、半径が一定であるので、容量性領域と誘導性領域の形成範囲を角度範囲で表すと、その範囲は一定となる。そのため、複数の導体線路を配置して生じる電磁界および電流の分布の対称性が良いと特徴を備えている。
【００８８】
図１５において（Ａ）は共振器の正面図、（Ｂ）はその左側面図、（Ｃ）はこの共振器に設けた複数の導体線路のうち１つの共振単位の形状を示す斜視図である。この例では、２つの導体線路２で１つの共振単位を構成している。この共振器は、図７の（Ｂ）に示したものを、平面座標系から円柱座標系に変形したものに相当する。
【００８９】
なお、図１４、図１５に示した例では円柱形状の基材を用いたが、絶縁性または誘電性を有する円筒状の基材に導体線路を形成してもよい。
【００９０】
次に、第１１の実施形態としてフィルタの構成例を図１６に示す。図１６の （Ａ）はキャビティ３を取り除いた状態での上面図、（Ｂ）はフィルタの断面図である。図１６において、基板１の上面に３つの共振器７ａ，７ｂ，７ｃを配列形成している。これらの共振器７ａ，７ｂ，７ｃは図１０および図１１に示したものと同様である。また、基板１の上面には、両端の共振器７ａ，７ｃに磁界結合する結合ループ５ａ，５ｂを形成している。さらに、基板１の上面には、この基板１の上部に被せる遮蔽キャビティ３が導通する接地電極６を形成している。上記結合ループ５ａ，５ｂは、その一端を接地電極６に接続し、他端をキャビティ外に引き出すように形成している。
【００９１】
３つの共振器７ａ，７ｂ，７ｃは、隣接する共振器間で、電流の相互誘導により磁界結合する。また、共振器７ａ，７ｃと結合ループ５ａ，５ｂとの間も電流の相互誘導によりそれぞれ磁界結合する。したがって、このフィルタは、順に結合した３段の共振器による帯域通過特性を備える。その際、各段の共振器のＱは高いため、低挿入損失特性が得られる。
【００９２】
図１７は、第１２の実施形態に係るフィルタの構成を示す図である。この例では、基板１の上面に共振器７ｂを形成し、基板１の下面に２つの共振器７ａ，７ｃを形成している。この３つの共振器７ａ，７ｂ，７ｃは、図１０および図１１に示したものと同様である。この３つの共振器７ａ，７ｂ，７ｃは、隣接する共振器の平面位置が部分的に重なるように配置している。また、共振器７ａ，７ｃと２つの結合ループ５ａ，５ｂの平面位置も部分的に重なるように配置している。
【００９３】
このような構造により、図１６に示した場合より基板１の寸法を小型化でき、フィルタ全体の小型軽量化が図れる。
【００９４】
次に、第１３の実施形態に係るフィルタの構成を図１８および図１９を参照して説明する。
【００９５】
図１８の（Ａ）はキャビティを取り除いた状態での上面図、（Ｂ）はその下面図、（Ｃ）は（Ａ）におけるＡ−Ａ部分の断面図である。図１８において基板１の上面に共振器７ｂを形成している。基板１の下面には２つの共振器７ａ，７ｃを形成している。これらの共振器７ａ，７ｂ，７ｃは図４に示したものと同様である。すなわち各導体線路の両端付近同士が幅方向に近接して共振単位を構成している。各共振単位の容量性領域は、図４に示した場合と同様にして少しずつずらせて配置している。
【００９６】
また、図１８において、基板１の上面に形成した共振器７ｂは共振器の全体形状を長円形としている。例えば、図１９に示すように、各導体線路を略長円形をなすように配置する。図１９に示した例では、導体線路２ａ，２ｂ，２ｃによる３つの共振単位を配置している。
【００９７】
さて、図１８に示した共振器７ａ，７ｂ，７ｃは、隣接する共振器間で、電流の相互誘導によって磁界結合する。ここで、共振器７ａを１段目の共振器、共振器７ｂを２段目の共振器、共振器７ｃを３段目の共振器とすると、２段目の共振器７ｂを長円形としたことにより、１段目と２段目の共振器間の段間結合、および２段目と３段目の共振器間の段間結合をそれぞれ強くしている。また、この例では、１段目と３段目の共振器７ａ−７ｃ間も結合（とび結合）するため、１段目と３段目がとび結合した３段の共振器からなるフィルタとして作用する。このとび結合の大きさを制御することによって、通過帯域の近傍に現れる減衰極の周波数を調整することができる。
【００９８】
次に、第１４の実施形態としてデュプレクサの構成を図２０に示す。図２０はデュプレクサのブロック図である。ここで、送信フィルタと受信フィルタは、それぞれ図１６、図１７、図１８などに示した構成からなる。送信フィルタＴｘＦＩＬと受信フィルタＲｘＦＩＬの通過帯域は、それぞれの帯域に合わせて設計する。また、送受共用端子としてのアンテナ端子ＡＮＴｐｏｒｔへの接続は、送信信号の受信フィルタへの回り込みおよび受信信号の送信フィルタへの回り込みを防止するように位相調整する。
【００９９】
図２１は、第１５の実施形態に係る通信装置の構成を示すブロック図である。ここで、デュプレクサＤＵＰとしては図２０に示した構成のものを用いる。回路基板上には、送信回路Ｔｘ−ＣＩＲと受信回路Ｒｘ−ＣＩＲを構成し、デュプレクサＤＵＰの送信信号入力端子に送信回路Ｔｘ−ＣＩＲが接続され、デュプレクサＤＵＰの受信信号出力端子に受信回路Ｒｘ−ＣＩＲが接続され、且つアンテナ端子にアンテナＡＮＴが接続されるように、上記回路基板上にデュプレクサＤＵＰを実装する。
【０１００】
【発明の効果】
この発明によれば、単数の導体線路からなる環状の共振単位の、複数個で共振器を構成し、共振単位が容量性領域と誘導性領域とを有し、導体線路の一方の端部が、自らの他方の端部と幅方向に近接することによって前記容量性領域を形成し、複数個の共振単位の前記容量性領域を幅方向に近接させ、また、各共振単位の導体線路の一方の端部を、異なる共振単位の導体線路の端部に周方向に近接させるため、導体線路の端部同士の近接部分の容量が増し、共振器の小型化が図れる。また、基板を挟んで上記導体線路に対向する面に接地電極が不要であるため、極めて構成要素の少ない構造で、低コスト化が図れる。
【０１０１】
また、この発明によれば、複数の導体線路からなる環状の共振単位の、複数個から構成される共振器であって、前記共振単位は容量性領域と誘導性領域とを有し、前記導体線路それぞれは、一方の端部が同じ共振単位を構成する異なる導体線路の端部の外側に配置し、他方の端部が同じ共振単位を構成する異なる導体線路の端部の内側に配置し、同じ共振単位を構成する異なる導体線路の端部が幅方向に近接することによって前記容量性領域を形成し、また、複数の共振単位の端部同士を周方向に近接させたことにより、例えば高周波化にともない、誘導性領域の長さを短くする場合でも、環状をなす共振単位全体の導体線路の全長が長くできるので、各導体線路の曲率が極端に大きくならず、その分、電流集中を緩和することができ、導体Ｑを高めることができる。
【０１０２】
また、この発明によれば、前記導体線路が平面状の基板上に形成されているものとしたことにより、基板に対する導体線路の形成が容易となり、低コスト化が図れる。
【０１０３】
また、この発明によれば、前記基材の形状を柱状または筒状とし、該基材の側面に導体線路を形成したことにより、柱状または筒状を成す構造体への適用が可能となる。
【０１０４】
また、この発明によれば、導体線路両端の互いに近接する部分でインターディジタルトランスデューサを構成したことにより、容量性領域の長さが短縮化され、共振器全体の小型化が図れる。
【０１０５】
また、この発明によれば、複数の導体線路の幅および、隣接する導体線路間を、部分的に、または全体に、導体の表皮深さ程度または表皮深さより細くしたため、表皮効果および縁端効果による電流集中が緩和し、共振器の導体Ｑがいっそう改善できる。
【０１０６】
また、この発明によれば、互いに幅方向に隣接する前記導体線路同士の間を、略一定にしたことにより、導体線路の製造プロセス上、最も細かなパターンが形成できる状態ですべての導体線路を形成できるようになり、共振器の導体Ｑを効率よく高めることができる。
【０１０７】
また、この発明によれば、導体線路を、薄膜誘電体層と薄膜導体層とを積層してなる薄膜多層電極としたことにより、導体線路の幅方向の縁端効果による電流集中の緩和とともに、厚み方向についての表皮効果による電流集中の緩和により、共振器の導体Ｑをさらに改善できる。
【０１０８】
また、この発明によれば、複数の導体線路の互いに隣接する導体線路間の間隙に誘電体を充填したことにより、隣接する導体線路間の間隙に生じる共振器の容量が増大し、容量性領域の長さが短縮化でき、それにより共振器の小型化が図れる。
【０１０９】
また、この発明によれば、小型・低挿入損失なフィルタおよびデュプレクサが得られる。
【０１１０】
また、この発明によれば、ＲＦ送受信部の挿入損失が低減され、雑音特性、伝送速度などの通信品質が高い通信装置が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施形態に係る共振器の構成を示す図
【図２】同共振器の導体線路両端部付近の電界分布および導体線路上の電流分布を示す図
【図３】第２の実施形態に係る共振器の構成を示す図
【図４】第３の実施形態に係る共振器の構成を示す図
【図５】同共振器の電流分布を示す図
【図６】第４の実施形態に係る共振器の構成を示す図
【図７】第５の実施形態に係る共振器の構成を示す図
【図８】同共振器の電界分布および電流の方向の例を示す図
【図９】第５の実施形態に係る他の共振器の導体線路パターンの例を示す図
【図１０】第６の実施形態に係る共振器の構成を示す図
【図１１】同共振器各部の拡大図
【図１２】第７の実施形態に係る共振器の導体線路パターンの例を示す図
【図１３】第８の実施形態に係る共振器における導体線路の断面構造を示す図
【図１４】第９の実施形態に係る共振器の構成を示す図
【図１５】第１０の実施形態に係る共振器の構成を示す図
【図１６】第１１の実施形態に係るフィルタの構成を示す図
【図１７】第１２の実施形態に係るフィルタの構成を示す図
【図１８】第１３の実施形態に係るフィルタの構成を示す図
【図１９】同フィルタの形成する導体線路パターンの例を示す図
【図２０】第１４の実施形態に係るデュプレクサの構成を示すブロック図
【図２１】第１５の実施形態に係る通信装置の構成を示すブロック図
【符号の説明】
１−基板
２−導体線路
３−遮蔽キャビティ
４−誘電体
５−結合ループ
６−接地電極
７−共振器
１１−基材
１２−導体線路集合体
ｘ１，ｘ２−導体線路の端部
Claims (14)
- 単数の導体線路からなる環状の共振単位の、複数個から構成される共振器であって、前記共振単位は容量性領域と誘導性領域とを有し、前記導体線路は、その一方の端部が、自らの他方の端部と幅方向に近接することによって前記容量性領域を形成し、各共振単位の前記容量性領域を幅方向に近接させるとともに、各共振単位を略同心状に配置したことを特徴とする共振器。
- 単数の導体線路からなる環状の共振単位の、複数個から構成される共振器であって、前記共振単位は容量性領域と誘導性領域とを有し、前記導体線路は、その一方の端部が、自らの他方の端部と幅方向に近接することによって前記容量性領域を形成し、各共振単位の導体線路の一方の端部を、異なる共振単位の導体線路の端部に周方向に近接させるとともに、各共振単位を略同心状に配置したことを特徴とする共振器。
- 複数の導体線路からなる環状の共振単位の、複数個から構成される共振器であって、前記共振単位は容量性領域と誘導性領域とを有し、前記導体線路それぞれは、一方の端部が同じ共振単位を構成する異なる導体線路の端部の外側に位置し、他方の端部が同じ共振単位を構成する異なる導体線路の端部の内側に位置し、同じ共振単位を構成する異なる導体線路の端部同士が幅方向に近接することによって前記容量性領域を形成するとともに、各共振単位を略同心状に配置したことを特徴とする共振器。
- 前記導体線路は、平面状の基板上に形成されていることを特徴とする、請求項１〜３のいずれかに記載の共振器。
- 前記導体線路は、柱状または筒状の基体の側面に形成されていることを特徴とする、請求項１〜３のいずれかに記載の共振器。
- 前記導体線路の互いに近接する端部同士が、インターディジタルトランスデューサを構成していることを特徴とする、請求項１〜５のいずれかに記載の共振器。
- 前記導体線路の線路幅を、部分的あるいは全体に、該導体線路の表皮深さ程度または該表皮深さより細くしたことを特徴とする、請求項１〜６のいずれかに記載の共振器。
- 互いに幅方向に近接する前記導体線路同士の線路間を、該導体線路の表皮深さ程度または該表皮深さより狭くしたことを特徴とする、請求項１〜７のいずれかに記載の共振器。
- 互いに幅方向に近接する前記導体線路同士の間を、略一定にしたことを特徴とする、請求項１〜８のいずれかに記載の共振器。
- 前記導体線路を、薄膜誘電体層と薄膜導体層とを積層してなる薄膜多層電極としたことを特徴とする、請求項１〜９のいずれかに記載の共振器。
- 互いに幅方向に近接する前記導体線路同士の間の隙間に誘電体を充填したことを特徴とする請求項１〜１０のうちいずれかに記載の共振器。
- 請求項１〜１１のうちいずれかに記載の共振器と、該共振器に結合する信号入出力手段と、を備えたフィルタ。
- 請求項１２に記載のフィルタを送信フィルタもしくは受信フィルタとして、またはその両方のフィルタとして用いたデュプレクサ。
- 請求項１２に記載のフィルタまたは請求項１３に記載のデュプレクサの少なくともいずれか一つを備えた通信装置。
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