(57)【要約】  高周波フィルタ装置は、誘電体層（１）と、前記誘電体層（１）の両面に形成された対向する１対の導体層（４、５）と、一対の導体層（４、５）を短絡するように形成された複数の遮蔽ビア導体（８）と、遮蔽ビア導体（８）によって形成された導波管共振器部分（９）と、導体層（４）の表面に形成された他の誘電体層（２）と、誘電体層（２）の表面に形成された一対のストリップ導体（６）と、一対の入出力結合ビア導体（１０）とを備える。一対の入出力結合ビア導体（１０）は、導体層（４）と導波管共振器部分（９）を導体層（４）に接触しないように貫通しており、一方の端が導体層（５）に接続され、他方の端は一対のストリップ導体（６）にそれぞれ接続されており、高周波信号を入力することによって、導波管共振器部分（９）において少なくとも基本共振モードと２次共振モードが励振される。
2009133713.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の誘電体層と、
上記第１の誘電体層の上面に形成された第１の導体層と、
上記第１の誘電体層の下面に形成された第２の導体層と、
上記第１の誘電体層において上記第１及び第２の導体層を短絡するようにそれぞれ形成され、上記第１の誘電体層内における信号波長の半分以下の間隔を互いに有してそれぞれ配置された複数の遮蔽ビア導体と、
上記第１の誘電体層において、周囲が上記遮蔽ビア導体によって包囲され、かつ内部に上記遮蔽ビア導体が存在しない領域として形成された導波管共振器部分と、
上記導波管共振器部分内の第１の位置に形成された第１の入出力結合ビア導体と、
上記導波管共振器部分内の上記第１の位置とは異なる第２の位置に形成された第２の入出力結合ビア導体とを備えた高周波フィルタ装置であって、
上記第１の入出力結合ビア導体の一端は、上記第１及び第２の導体層の一方に短絡され、上記第１の入出力結合ビア導体の他端は、上記第１及び第２の導体層の他方に設けられた第１の入出力端子に接続され、
上記第２の入出力結合ビア導体の一端は、上記第１及び第２の導体層の一方に短絡され、上記第２の入出力結合ビア導体の他端は、上記第１及び第２の導体層の他方に設けられた第２の入出力端子に接続され、
上記第１及び第２の入出力端子の一方に高周波信号を入力することによって、上記導波管共振器部分において少なくとも基本共振モードと２次共振モードが励振されることを特徴とする高周波フィルタ装置。
【請求項２】
上記第１の入出力結合ビア導体の一端は上記第１の導体層に短絡され、上記第１の入出力結合ビア導体の他端は、上記第２の導体層に設けられた上記第１の入出力端子に接続され、
上記第２の入出力結合ビア導体の一端は上記第１の導体層に短絡され、上記第２の入出力結合ビア導体の他端は、上記第２の導体層に設けられた上記第２の入出力端子に接続されることを特徴とする請求項１記載の高周波フィルタ装置。
【請求項３】
上記第１の入出力結合ビア導体の一端は上記第１の導体層に短絡され、上記第１の入出力結合ビア導体の他端は、上記第２の導体層に設けられた上記第１の入出力端子に接続され、
上記第２の入出力結合ビア導体の一端は上記第２の導体層に短絡され、上記第２の入出力結合ビア導体の他端は、上記第１の導体層に設けられた上記第２の入出力端子に接続されることを特徴とする請求項１記載の高周波フィルタ装置。
【請求項４】
上記導波管共振器部分は、所定幅及び所定長さの矩形形状を有し、
上記第１及び第２の入出力結合ビア導体は、上記導波管共振器部分の長さ方向の中心線上で、かつ上記導波管共振器部分の中心に対して対称に所定間隔で配置され、
上記導波管共振器部分の幅は、上記第１の誘電体層内における信号波長の０．５倍から１倍の間であり、
上記導波管共振器部分の長さは、上記導波管共振器部分の幅の２倍よりも大きく、
上記第１及び第２の入出力結合ビア導体の間隔は上記導波管共振器部分の幅よりも大きいことを特徴とする請求項１乃至３のうちのいずれか１つに記載の高周波フィルタ装置。
【請求項５】
上記第１及び第２の入出力端子の一方に高周波信号を入力することによって、上記導波管共振器部分において少なくとも基本共振モードと２次共振モードと３次共振モードが励振されることを特徴とする請求項１乃至４のうちのいずれか１つに記載の高周波フィルタ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ミリ波帯などの高周波信号を用いた無線装置や、ミリ波帯などの高周波信号を処理する高周波回路に用いられるフィルタ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
高周波通信システムにおいては、フィルタは不可欠の要素である。移動体通信システムなどにおいては、周波数帯域の有効利用のために、狭帯域なフィルタが要求される。また、移動体通信の基地局や通信衛星などにおいては、狭帯域で低損失でかつ小型で、大きな電力に耐えることのできるフィルタが強く要望されている。さらに、近年開発が進んでいるミリ波あるいは準ミリ波帯の無線通信システムにおいては、従来、空洞導波管によるフィルタが用いられてきたが、ここでも小型で低損失なフィルタが強く要求されている。【０００３】
現在用いられている共振器フィルタなどの高周波回路素子として、伝送線路構造を使用したものがある。伝送線路構造を用いた高周波回路素子は、小型で、基板上に形成する２次元的な構造であり、他の回路や素子との組み合わせが容易であるので、広く利用されている。【０００４】
ミリ波帯などにおいては、空洞導波管フィルタを小型化することを目的に、誘電体基板の両面に形成された導体層と、導体層同士を短絡させるビアとによって構成される疑似誘電体導波管を用いたフィルタがある。図１３は、このような従来技術のフィルタの一例として、特許文献１記載のフィルタを示す斜視図であり、図１４はその上面図である。図１３及び図１４を参照すると、誘電体基板２１の一面に表面導体２２が、反対側の面に裏面導体２３が形成されている。表面導体２２と裏面導体２３を接続するビアホール２４が、信号伝送方向に２列形成されている。中央の共振器上部の表面導体２２には、部分的に導体が除去されたスリット２６が形成されている。スリット２６は、信号方向に直角に配置させることが望ましい。両端の共振器上部の表面導体２２には、部分的に導体が除去されたスリット２７、２８が形成されている。スリット２８には、表面導体２２に形成されたコプレーナ線路２９が接続されている。おのおのビアホール２４の間隔Ｌ４は、管内波長の２分の１以下が望ましい。この構造は、誘電体基板２１の厚み（短辺方向）と、２列に並ぶビアホール２４の間隔Ｌ５（長辺方向）を導波管断面とする擬似導波管とみなすことができる。導波管内には、さらにビアホール２５のペアが形成されており、共振長をＬ１、Ｌ２、Ｌ３とする共振器が形成される。ここでペアとなるビアホール２５の間隔Ｌ６を適切に選ぶことにより、共振周波数以外の周波数を反射させることができる。一方共振周波数では、信号は通過し、所望のフィルタ性能が得られる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００２−０２６６１１号公報。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、伝送線路構造を用いたフィルタは、導体損失の影響が大きく、ミリ波帯などの高い周波数信号を扱う場合には、低損失あるいは急峻な特性のフィルタを実現するのは困難である。【０００７】
誘電体導波管では、共振モードの効率的な励振方法が課題であり、そのため、特許文献１では、一方の導体層にコプレナー線路を形成し、それを用いて基本共振モードと結合する構成が述べられている。また、基本モードのみが励振される共振器を複数個結合させてフィルタとしているので、共振器間結合部のビア２５による損失も生じる。【０００８】
さらに、特許文献１の構成では、入出力結合度が、導体パターン（例えばスリット２７、２８）とビアホール群２４との相対位置関係によって決まる。一般的に、配線プロセスやビア形成プロセスは微細化も進み、同一面内での配線や、同一層内でのビア間の相対位置精度は年々向上している。しかし、特許文献１の構成では、製造誤差の影響を受けやすいという課題がある。これは、配線パターン単独、もしくはビア形成プロセス配線パターン製造プロセスとビア形成プロセスという異なる製造プロセスの位置あわせ誤差が、深刻な誤差要因となりうるからである。【０００９】
本発明の目的は、上記課題に鑑みてなされたものであり、簡単な構成で、製造誤差の影響を受けにくく、低損失な高周波フィルタ装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の態様に係る高周波フィルタ装置によれば、
第１の誘電体層と、
上記第１の誘電体層の上面に形成された第１の導体層と、
上記第１の誘電体層の下面に形成された第２の導体層と、
上記第１の誘電体層において上記第１及び第２の導体層を短絡するようにそれぞれ形成され、上記第１の誘電体層内における信号波長の半分以下の間隔を互いに有してそれぞれ配置された複数の遮蔽ビア導体と、
上記第１の誘電体層において、周囲が上記遮蔽ビア導体によって包囲され、かつ内部に上記遮蔽ビア導体が存在しない領域として形成された導波管共振器部分と、
上記導波管共振器部分内の第１の位置に形成された第１の入出力結合ビア導体と、
上記導波管共振器部分内の上記第１の位置とは異なる第２の位置に形成された第２の入出力結合ビア導体とを備えた高周波フィルタ装置であって、
上記第１の入出力結合ビア導体の一端は、上記第１及び第２の導体層の一方に短絡され、上記第１の入出力結合ビア導体の他端は、上記第１及び第２の導体層の他方に設けられた第１の入出力端子に接続され、
上記第２の入出力結合ビア導体の一端は、上記第１及び第２の導体層の一方に短絡され、上記第２の入出力結合ビア導体の他端は、上記第１及び第２の導体層の他方に設けられた第２の入出力端子に接続され、
上記第１及び第２の入出力端子の一方に高周波信号を入力することによって、上記導波管共振器部分において少なくとも基本共振モードと２次共振モードが励振されることを特徴とする。【００１１】
上記高周波フィルタ装置において、
上記第１の入出力結合ビア導体の一端は上記第１の導体層に短絡され、上記第１の入出力結合ビア導体の他端は、上記第２の導体層に設けられた上記第１の入出力端子に接続され、
上記第２の入出力結合ビア導体の一端は上記第１の導体層に短絡され、上記第２の入出力結合ビア導体の他端は、上記第２の導体層に設けられた上記第２の入出力端子に接続されることを特徴とする。【００１２】
また、上記高周波フィルタ装置において、
上記第１の入出力結合ビア導体の一端は上記第１の導体層に短絡され、上記第１の入出力結合ビア導体の他端は、上記第２の導体層に設けられた上記第１の入出力端子に接続され、
上記第２の入出力結合ビア導体の一端は上記第２の導体層に短絡され、上記第２の入出力結合ビア導体の他端は、上記第１の導体層に設けられた上記第２の入出力端子に接続されることを特徴とする。【００１３】
さらに、上記高周波フィルタ装置において、
上記導波管共振器部分は、所定幅及び所定長さの矩形形状を有し、
上記第１及び第２の入出力結合ビア導体は、上記導波管共振器部分の長さ方向の中心線上で、かつ上記導波管共振器部分の中心に対して対称に所定間隔で配置され、
上記導波管共振器部分の幅は、上記第１の誘電体層内における信号波長の０．５倍から１倍の間であり、
上記導波管共振器部分の長さは、上記導波管共振器部分の幅の２倍よりも大きく、
上記第１及び第２の入出力結合ビア導体の間隔は上記導波管共振器部分の幅よりも大きいことを特徴とする。【００１４】
またさらに、上記高周波フィルタ装置において、上記第１及び第２の入出力端子の一方に高周波信号を入力することによって、上記導波管共振器部分において少なくとも基本共振モードと２次共振モードと３次共振モードが励振されることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１５】
本発明に係る高周波フィルタ装置によれば、従来の誘電体導波管型のフィルタに対して、誘電体導波管共振器の２つ以上の共振モードと同時に結合できるので、簡便な構成で２段フィルタ又は３次以上の多段フィルタが実現できる。また、２つ以上の共振モードを同時に結合するので、所望のフィルタ特性実現のために必要な共振器数が低減でき、結果として共振器間結合部のビア導体部における損失の低減が可能となる。また、ビア導体のみの相対位置関係によってフィルタ特性が決定されるので、パターンの重ね合わせ誤差の影響がなく、歩留まり向上が期待できる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る高周波フィルタ装置の構成を示す平面図である。
【図２】図１のＡ−Ａ’線における断面図である。
【図３】図１のフィルタ装置の斜視図である。
【図４】本発明の第２の実施形態に係る高周波フィルタ装置の構成を示す平面図である。
【図５】図４のＡ−Ａ’線における断面図である。
【図６】本発明の各実施形態に係る高周波フィルタ装置の入出力結合ビア導体１０−１，１０−２によって生じる磁力線１３を模式的に描いた図である。
【図７】本発明の各実施形態に係る高周波フィルタ装置の導波管共振器部分９に励振される基本共振モード（ＴＥ０１１モード）の磁力線１３を模式的に描いた図である。
【図８】本発明の各実施形態に係る高周波フィルタ装置の導波管共振器部分９に励振される２次共振モード（ＴＥ０１２モード）の磁力線１３を模式的に描いた図である。
【図９】本発明の各実施形態に係る高周波フィルタ装置の導波管共振器部分９に励振される３次共振モード（ＴＥ０１３モード）の磁力線１３を模式的に描いた図である。
【図１０】本発明の第１の実施形態の第１の実施例に係る高周波フィルタ装置の周波数応答特性の実測例を示すグラフである。
【図１１】本発明の第１の実施形態の第１の実施例に係る高周波フィルタ装置において、入出力結合ビア導体１０−１，１０−２間の距離Ｄを変化させた際の周波数応答特性の実測例を示すグラフである。
【図１２】本発明の第１の実施形態の第２の実施例に係る高周波フィルタ装置の周波数応答特性の実測例を示すグラフである。
【図１３】従来技術のフィルタの斜視図である。
【図１４】図１３のフィルタの上面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態を説明する。
【００１８】
第１の実施形態．
まず、図１乃至図３を参照しながら、本発明の第１の実施形態に係る高周波フィルタ装置について説明する。図１は、本実施形態の高周波フィルタ装置の構成を示す平面図であり、図２は、図１のＡ−Ａ’線における断面図であり、図３は、その斜視図である。
【００１９】
図１乃至図３に示すように、本実施形態の高周波フィルタ装置は、誘電体層１と誘電体層２が積層されており、前記誘電体層１の両面に導体層４と導体層５が形成されており、前記導体層４、５を短絡するように複数のビア導体が遮蔽ビア導体８として形成されている。誘電体層１には、所定領域Ｌ×ａにわたって、周囲が遮蔽ビア導体８によって包囲されかつ内部に遮蔽ビア導体８が存在しない領域である導波管共振器部分９が形成される。前記遮蔽ビア導体８は図のように、導波管共振器部分９を囲むように、ある一定距離以下の間隔を互いに有してそれぞれ配置されている。前記一定距離は、使用する信号の波長の１／２以下であれば遮蔽ビア導体としての機能を発揮する。
【００２０】
さらに、誘電体層１，２に挟まれた導体層４には、導波管共振器部分９内に含まれるように、所定距離Ｄだけ離隔して貫通穴１１−１，１１−２が形成される。導波管共振器部分９に共振モードを励振するための入出力ポートとして、誘電体層２と、導体層４に形成された貫通穴１１−１と、誘電体層１とを貫通するビア導体が入出力結合ビア導体１０−１として設けられ、入出力結合ビア導体１０−１の一方の端が導体層５に接続され、他方の端は誘電体層２の表面に形成されたストリップ導体６の一端（入出力端子１２−１として図示する）に接続されている。従って、入出力結合ビア導体１０−１は、導波管共振器部分９内の所定の第１の位置において、導体層４に接触することなく導体層５とストリップ導体６とを短絡するように形成されている。同様に、導波管共振器部分９に共振モードを励振するためのもう１つの入出力ポートとして、誘電体層２と、導体層４に形成された貫通穴１１−２と、誘電体層１とを貫通するビア導体が入出力結合ビア導体１０−２として設けられ、入出力結合ビア導体１０−２の一方の端が導体層５に接続され、他方の端は誘電体層２の表面に形成されたストリップ導体７の一端（入出力端子１２−２として図示する）に接続されている。従って、入出力結合ビア導体１０−２は、導波管共振器部分９内の第１の位置とは異なる所定の第２の位置において、導体層４に接触することなく導体層５とストリップ導体７とを短絡するように形成されている。このストリップ導体６，７と誘電体層２と導体層４とで、それぞれ、マイクロストリップ線路の信号線を構成する。なお、ストリップ導体６，７の他端はそれぞれ、フィルタ装置への高周波信号の入出力に使用する。
【００２１】
ここで、導波管共振器部分９の形状と寸法を、誘電体層１の比誘電率（εｒ）及び使用する信号周波数をもとに適切に選ぶと、導波管共振器部分９に基本共振モードと２次共振モードを存在させうる。導波管共振器部分９の形状と寸法をさらに適切に選ぶと、導波管共振器部分９に、さらに３次共振モードも存在させることができる。
【００２２】
そこで、基本共振モード及び２次共振モードとの結合が取れる位置に一対の入出力結合ビア導体１０−１，１０−２を配置すれば、入出力端子１２−１，１２−２から２段フィルタとしての特性が実現できる。また、３次以上の高次モードまで利用すれば、さらに多段フィルタとして、透過帯域の広帯域化と平坦化が実現可能である。本構成に限らず、すべての共振器結合型フィルタについて言えることであるが、所望の周波数よりも高周波数側には高次共振モードが存在しうるので、通過帯域近傍において不要な高次共振モードとの結合が起こらない位置に入出力結合ビア導体を配置すれば、通常の帯域フィルタとしての特性を発揮させることが可能である。
【００２３】
第２の実施形態．
本発明の高周波フィルタ装置に関する他の実施形態について、図４及び図５を参照しながら説明する。図４は、本実施形態の高周波フィルタ装置の構成を示す平面図であり、図５は、そのＡ−Ａ’線における断面図である。
【００２４】
図４及び図５に示すように、本実施形態の高周波フィルタ装置は、誘電体層１と誘電体層２と誘電体層３が積層されており、前記誘電体層１の両面に導体層４と導体層５が形成されており、前記導体層４、５を短絡するように複数のビア導体が遮蔽ビア導体８として形成されている。誘電体層１には、所定領域にわたって、周囲が遮蔽ビア導体８によって包囲されかつ内部に遮蔽ビア導体８が存在しない領域である導波管共振器部分９が形成される。前記遮蔽ビア導体８は図のように、導波管共振器部分９を囲むように、ある一定距離以下の間隔を互いに有してそれぞれ配置されている。前記一定距離とは、使用する信号の誘電体層内での波長の１／２以下であれば遮蔽ビア導体としての機能を発揮する。
【００２５】
さらに、この導波管共振器部分９に共振モードを励振するための入出力ポートとして、誘電体層２と、導体層４に形成された貫通穴１１―１と、誘電体層１とを貫通するビア導体が入出力結合ビア導体１０−１として設けられ、入出力結合ビア導体１０−１の一方の端が導体層５に接続され、他方の端は誘電体層２の表面に形成されたストリップ導体６の一端（入出力端子１２−１として図示する）に接続されている。従って、入出力結合ビア導体１０−１は、導波管共振器部分９内の所定の第１の位置において、導体層４に接触することなく導体層５とストリップ導体６とを短絡するように形成されている。ストリップ導体６と誘電体層２と導体層４とで、マイクロストリップ線路の信号線を構成する。また、導波管共振器部分９に共振モードを励振するためのもう１つの入出力ポートとして、誘電体層３と、導体層５に形成された貫通穴１１−２と、誘電体層１とを貫通するビア導体として入出力結合ビア導体１０−２が設けられ、入出力結合ビア導体１０−２の一方の端が導体層４に接続され、他方の端は誘電体層３の表面に形成されたストリップ導体７の一端（入出力端子１２−２として図示する）に接続されている。従って、入出力結合ビア導体１０−２は、導波管共振器部分９内の第１の位置とは異なる所定の第２の位置において、導体層５に接触することなく導体層４とストリップ導体７とを短絡するように形成されている。ストリップ導体７と誘電体層３と導体層５とで、マイクロストリップ線路の信号線を構成する。なお、ストリップ導体６、７の他端はそれぞれ、フィルタへの高周波信号の入出力に使用するものとする。
【００２６】
ここで、導波管共振器部分９の形状と寸法を、誘電体層１の比誘電率（εｒ）及び使用する信号周波数とをもとに適切に選ぶと、導波管共振器部分９に基本共振モードと２次共振モードが存在しうる。導波管共振器部分９の形状と寸法をさらに適切に選ぶと、導波管共振器部分９に、さらに３次共振モードも存在させることができる。
【００２７】
そこで、基本共振モード及び２次共振モードとの結合が取れる位置に一対の入出力結合ビア導体１０−１，１０−２を配置すれば、入出力端子１２−１，１２−２から２段フィルタとしての特性が実現できる。また、３次以上の高次モードまで利用すれば、さらに多段フィルタとして、透過帯域の広帯域化と平坦化が実現可能である。本構成に限らず、すべての共振器結合型フィルタについて言えることであるが、所望の周波数よりも高周波数側には高次共振モードが存在しうるので、通過帯域近傍において不要な高次共振モードとの結合が起こらない位置に入出力結合ビア導体を配置すれば、通常の帯域フィルタとしての特性を発揮させることは可能である。
【００２８】
ここで、第１及び第２の実施形態において、より望ましい構成について説明する。
【００２９】
導波管共振器部分９としては、図１乃至図５に示したように矩形形状が望ましく、今、この矩形の幅をａ、長さをＬとすると、この導波管共振器部分９は、幅がａの矩形導波管が長さＬで終短されている共振器と考えることができる。このような導波管の最低次の伝搬モードはＴＥ０１伝搬モードであり、導波管として正常に動作するためには、使用する周波数範囲で、ＴＥ０１伝搬モードがカットオフにならず、かつ、２次の伝搬モード（ＴＥ０２伝搬モード）以降がカットオフとなることが望ましい。今、使用する信号周波数をｆとし、用いる誘電体層１の比誘電率をεｒとすると、望ましい導波管共振器部分９の幅ａの範囲は以下の通りである。
【００３０】
【数１】
2009133713.tif 000003
【数２】
2009133713.tif 000004
【００３１】
ここで、λは、比誘電率εｒの媒質中を伝搬する周波数ｆの電磁波の波長で、ｃ０は真空中の光速である。
【００３２】
導波管共振器部分９は両端が短絡されており、これによる基本共振モードはＴＥ０１１共振モードとなり、２次共振モードがＴＥ０１２共振モードとなる。従って、導波管共振器部分９の長さＬについては、使用する信号周波数範囲において、少なくともＴＥ０１２共振モードが存在するために、Ｌ＞２ａであることが望ましい。
【００３３】
また、導波管共振器部分９の長さＬが幅ａの５倍を超えると、３次以降の高次共振モードの共振周波数が使用する周波数に近づくことになるが、通過帯域内に３次以上の高次共振モードを含むことが好ましくない場合には、合わせてＬ＜５ａであることがより望ましい。
【００３４】
入出力結合ビア導体１０−１，１０−２は導波管共振器部分９の内部で導体層に直接短絡させていることから、ビア導体に流れる短絡電流により、導波管共振器部分９の内部に、図６に示すようなビア導体の回りを回転する方向の強い磁界を生じさせる。入出力結合に必要な条件は、この磁界によって、ＴＥ０１１モードとＴＥ０１２モードがともに励振され、望ましくは、両モードとより均等に結合することである。図７及び図８に、遮蔽ビア導体により形成された導波管共振器部分９に励振されるＴＥ０１１モード（図７）とＴＥ０１２モード（図８）の磁界分布を模式的に示す。ＴＥ０１１モードは、共振器の中央を中心とした渦巻き状に、ＴＥ０１２モードの磁界は共振器の長手方向に２等分した部分で、それぞれ、逆方向に渦を巻く。入出力結合ビア導体１０−１，１０−２が両モードに対して均等に結合するために望ましい結合位置は、入出力結合ビア導体１０−１，１０−２が導波管共振器部分９の長さ方向の中心線上（図１の中のＡ−Ａ’線上）で、導波管共振器部分９の中心に対して互いに対称の位置にあることが望ましい。
【００３５】
また、一対の入出力結合ビア導体１０−１，１０−２の間隔Ｄについて、間隔Ｄが小さくなると、一対の入出力結合ビア導体１０−１，１０−２が共振器の中央付近に近づいてくるので、ＴＥ０１１モードとの結合効率は向上するが、ＴＥ０１２モードは共振器の中央で磁界の回転方向が反転するので結合効率が急激に減少する。両モードとの良好な結合を実現するためには、Ｄ＞ａであることが望ましい。
【００３６】
さらに好ましくは、入出力結合ビア導体１０−１，１０−２は、基本共振モード及び２次共振モードに対して結合することに加えて、さらに３次共振モードに対しても結合する。図９は、本発明の各実施形態に係る高周波フィルタ装置の導波管共振器部分９に励振される３次共振モード（ＴＥ０１３モード）の磁力線１３を模式的に描いた図である。導波管共振器部分９に、基本共振モード、２次共振モード及び３次共振モードを存在させ、入出力結合ビア導体１０−１，１０−２をこれらのモードに対して結合させることにより、透過帯域の広帯域化と平坦化が実現可能である。
【実施例１】
【００３７】
本願発明をさらに良く理解するために、具体的な実施例を述べる。【００３８】
第１の実施形態の構成を用いた６０ＧＨｚ帯での２段フィルタに関する具体的実施例を以下に示す。誘電体層１に、厚さ０．２ｍｍと比誘電率８を有するセラミックス材料を用い、導体層４、５には、銀による膜を利用した。さらに、直径０．１ｍｍの遮蔽ビア導体を０．５ｍｍ間隔で配置し、幅ａ＝１ｍｍ、長さＬ＝３ｍｍの導波管共振器部分９を形成した。さらに、厚さ０．１ｍｍを有する同じセラミックス材料で誘電体層２を形成し、その上に特性インピーダンスが５０Ωのマイクロストリップ線路を構成するストリップ導体６を同じく銀で形成した。入出力結合ビア導体１０−１，１０−２は、導波管共振器部分９の長さ方向の中心線上に、中心対称に配置し、ビア導体間隔Ｄは１．６ｍｍから２．２ｍｍの範囲で変化させて試作を行った。【００３９】
図１０に、実測した特性の一例を示す。反射損失に明瞭に２つの極が存在しており、良好な帯域特性が実現できていることがわかる。帯域内の通過損失は２ｄＢ以下であり、非常に低損失な特性が得られている。前記２つの極の内、周波数の低い方の極がＴＥ０１１共振モードに、高い方の極がＴＥ０２１共振モードに対応しており、２つのモードに対して均等に結合し、良好な帯域特性が実現できていることがわかる。また、通過帯域よりも低周波側は、導波管のカットオフ領域になるので急激に減衰量が増加していることがわかる。従って、図１０の特性は所望周波数の低域側に発生する漏洩波のフィルタリングなどには非常に適した特性であるといえる。【００４０】
図１１には、入出力結合ビア導体１０−１，１０−２の間隔Ｄを変化させた時の反射損失の変化を示す。先に述べたとおり、間隔Ｄを小さくするとＴＥ０１１共振モードとの結合が大きくなり、ＴＥ０２１共振モードとの結合が小さくなっていることがわかる。【００４１】
なお、本具体的実施例では、誘電体層としてセラミックス材料を例にして述べたが、これに限定されることはない。セラミックス材料や樹脂材料が比較的適してはいるが、その他にも単結晶誘電体材料や半導体材料なども適用可能である。【００４２】
本発明の実施形態に係る高周波フィルタ装置において利用可能な周波数範囲については、理論的には制限はないが、実質的には、通常のセラミック材料や樹脂材料とその製造プロセスを用いる場合、１０ＧＨｚ〜２００ＧＨｚの範囲が、フィルタのサイズ、製造精度の関係で望ましい範囲である。【００４３】
本発明の実施形態に係る高周波フィルタ装置の特徴について述べる。特許文献１のフィルタの製造においては、配線パターン製造プロセスとビア導体形成プロセスという異なる製造プロセスの位置あわせ誤差が、最大の誤差要因となり、これは積層基板を用いた一般的な素子構成において配線構造とビア導体構造を同時に用いる際に、常に重要な課題であった。本発明の実施形態に係る高周波フィルタ装置は、図１乃至図３からもわかるとおり、導波管共振器部分９周辺に形成されたビア導体（遮蔽ビア導体８と入出力結合ビア導体１０−１，１０−２）の相対位置関係のみで基本的なフィルタ特性が決定される。同一層内のビア導体は単独の製造工程にて一括形成されるので、その相対位置関係は非常に精度良く制御できる。よって、本発明の高周波フィルタ装置では、先の積層基板の複数製造プロセスの位置あわせ誤差の影響を受けることなく、再現性の良い、また、歩留まりの高いフィルタ製造が可能となる。【００４４】
また、本発明の高周波フィルタ装置では、入出力結合ビア導体１０−１，１０−２によって、１つの共振器の中に存在する基本共振モードと２次の共振モードの２つの共振モードと効率よい結合が実現している。従来例では基本共振モードのみを励振する複数の共振器に区切り、それらを直列に結合させていたが、本発明の実施形態では共振器を複数に区切ることがないので、共振器結合の際に生じる損失をなくすことを可能にした。これにより、図１０に示すような低損失なフィルタ動作を実現できている。
【実施例２】
【００４５】
次いで、第１の実施形態の構成を用いた６０ＧＨｚ帯での３段フィルタに関する具体的実施例を以下に示す。本実施例の高周波フィルタ装置において、幅ａ＝１．０３ｍｍ、長さＬ＝３．５ｍｍの導波管共振器部分９を形成した。入出力結合ビア導体１０−１，１０−２の間隔Ｄを１．５ｍｍに形成した。他のパラメータは、第１の実施例のものと同じである。【００４６】
図１２に、実測した特性の一例を示す。実施例１とは異なり、反射損失特性に３つの明確な極が存在しており、より広い帯域において良好な通過特性を実現できていることが分かる。帯域内での挿入損失は３．５ｄＢ以下であった。
【産業上の利用可能性】
【００４７】
本発明に係る高周波フィルタ装置の構成を利用することによって、フィルタ素子が積層基板の完全に内層のみを利用した構造となるので、積層基板の表層をアンテナやチップ実装に利用するとこで、基板面積の利用効率が飛躍的に向上する。また、段間結合に伴う損失がないので低損失である。さらに、入出力結合にビア導体を用いたことから、ビア導体間の相対的位置関係によってフィルタ特性が決定されるので、積層基板で常に問題となる積層に伴うパターンずれの影響を受けず、歩留まりの高い生産が可能となるという特徴がある。
【符号の説明】
【００４８】
１，２，３…誘電体層、
４，５…導体層、
６，７…ストリップ導体、
８…遮蔽ビア導体、
９…導波管共振器部分、
１０−１，１０−２…入出力結合ビア導体、
１１−１，１１−２…貫通穴、
１２−１，１２−２…入出力端子、
１３…磁力線。
【図１】
2009133713.tif 000005
【図２】
2009133713.tif 000006
【図３】
2009133713.tif 000007
【図４】
2009133713.tif 000008
【図５】
2009133713.tif 000009
【図６】
2009133713.tif 000010
【図７】
2009133713.tif 000011
【図８】
2009133713.tif 000012
【図９】
2009133713.tif 000013
【図１０】
2009133713.tif 000014
【図１１】
2009133713.tif 000015
【図１２】
2009133713.tif 000016
【図１３】
2009133713.tif 000017
【図１４】
2009133713.tif 000018
【手続補正書】
【提出日】平成21年12月16日(2009.12.16)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ミリ波帯などの高周波信号を用いた無線装置や、ミリ波帯などの高周波信号を処理する高周波回路に用いられるフィルタ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
高周波通信システムにおいては、フィルタは不可欠の要素である。移動体通信システムなどにおいては、周波数帯域の有効利用のために、狭帯域なフィルタが要求される。また、移動体通信の基地局や通信衛星などにおいては、狭帯域で低損失でかつ小型で、大きな電力に耐えることのできるフィルタが強く要望されている。さらに、近年開発が進んでいるミリ波あるいは準ミリ波帯の無線通信システムにおいては、従来、空洞導波管によるフィルタが用いられてきたが、ここでも小型で低損失なフィルタが強く要求されている。
【０００３】
現在用いられている共振器フィルタなどの高周波回路素子として、伝送線路構造を使用したものがある。伝送線路構造を用いた高周波回路素子は、小型で、基板上に形成する２次元的な構造であり、他の回路や素子との組み合わせが容易であるので、広く利用されている。
【０００４】
ミリ波帯などにおいては、空洞導波管フィルタを小型化することを目的に、誘電体基板の両面に形成された導体層と、導体層同士を短絡させるビアとによって構成される疑似誘電体導波管を用いたフィルタがある。図１３は、このような従来技術のフィルタの一例として、特許文献１記載のフィルタを示す斜視図であり、図１４はその上面図である。図１３及び図１４を参照すると、誘電体基板２１の一面に表面導体２２が、反対側の面に裏面導体２３が形成されている。表面導体２２と裏面導体２３を接続するビアホール２４が、信号伝送方向に２列形成されている。中央の共振器上部の表面導体２２には、部分的に導体が除去されたスリット２６が形成されている。スリット２６は、信号方向に直角に配置させることが望ましい。両端の共振器上部の表面導体２２には、部分的に導体が除去されたスリット２７、２８が形成されている。スリット２８には、表面導体２２に形成されたコプレーナ線路２９が接続されている。おのおのビアホール２４の間隔Ｌ４は、管内波長の２分の１以下が望ましい。この構造は、誘電体基板２１の厚み（短辺方向）と、２列に並ぶビアホール２４の間隔Ｌ５（長辺方向）を導波管断面とする擬似導波管とみなすことができる。導波管内には、さらにビアホール２５のペアが形成されており、共振長をＬ１、Ｌ２、Ｌ３とする共振器が形成される。ここでペアとなるビアホール２５の間隔Ｌ６を適切に選ぶことにより、共振周波数以外の周波数を反射させることができる。一方共振周波数では、信号は通過し、所望のフィルタ性能が得られる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００２−０２６６１１号公報。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、伝送線路構造を用いたフィルタは、導体損失の影響が大きく、ミリ波帯などの高い周波数信号を扱う場合には、低損失あるいは急峻な特性のフィルタを実現するのは困難である。
【０００７】
誘電体導波管では、共振モードの効率的な励振方法が課題であり、そのため、特許文献１では、一方の導体層にコプレナー線路を形成し、それを用いて基本共振モードと結合する構成が述べられている。また、基本モードのみが励振される共振器を複数個結合させてフィルタとしているので、共振器間結合部のビア２５による損失も生じる。
【０００８】
さらに、特許文献１の構成では、入出力結合度が、導体パターン（例えばスリット２７、２８）とビアホール群２４との相対位置関係によって決まる。一般的に、配線プロセスやビア形成プロセスは微細化も進み、同一面内での配線や、同一層内でのビア間の相対位置精度は年々向上している。しかし、特許文献１の構成では、製造誤差の影響を受けやすいという課題がある。これは、配線パターン単独、もしくはビア形成プロセス配線パターン製造プロセスとビア形成プロセスという異なる製造プロセスの位置あわせ誤差が、深刻な誤差要因となりうるからである。
【０００９】
本発明の目的は、上記課題に鑑みてなされたものであり、簡単な構成で、製造誤差の影響を受けにくく、低損失な高周波フィルタ装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の態様に係る高周波フィルタ装置によれば、
第１の誘電体層と、
上記第１の誘電体層の上面に形成された第１の導体層と、
上記第１の誘電体層の下面に形成された第２の導体層と、
上記第１の誘電体層において上記第１及び第２の導体層を短絡するようにそれぞれ形成され、上記第１の誘電体層内における信号波長の半分以下の間隔を互いに有してそれぞれ配置された複数の遮蔽ビア導体と、
上記第１の誘電体層において、周囲が上記遮蔽ビア導体によって包囲され、かつ内部に上記遮蔽ビア導体が存在しない領域として形成された導波管共振器部分と、
上記導波管共振器部分内の第１の位置に形成された第１の入出力結合ビア導体と、
上記導波管共振器部分内の上記第１の位置とは異なる第２の位置に形成された第２の入出力結合ビア導体とを備えた高周波フィルタ装置であって、
上記第１の入出力結合ビア導体の一端は、上記第１及び第２の導体層の一方に短絡され、上記第１の入出力結合ビア導体の他端は、上記第１及び第２の導体層の他方に設けられた第１の入出力端子に接続され、
上記第２の入出力結合ビア導体の一端は、上記第１及び第２の導体層の一方に短絡され、上記第２の入出力結合ビア導体の他端は、上記第１及び第２の導体層の他方に設けられた第２の入出力端子に接続され、
上記第１及び第２の入出力端子の一方に高周波信号を入力することによって、上記導波管共振器部分において少なくとも基本共振モードと２次共振モードが励振されることを特徴とする。
【００１１】
上記高周波フィルタ装置において、
上記第１の入出力結合ビア導体の一端は上記第１の導体層に短絡され、上記第１の入出力結合ビア導体の他端は、上記第２の導体層に設けられた上記第１の入出力端子に接続され、
上記第２の入出力結合ビア導体の一端は上記第１の導体層に短絡され、上記第２の入出力結合ビア導体の他端は、上記第２の導体層に設けられた上記第２の入出力端子に接続されることを特徴とする。
【００１２】
また、上記高周波フィルタ装置において、
上記第１の入出力結合ビア導体の一端は上記第１の導体層に短絡され、上記第１の入出力結合ビア導体の他端は、上記第２の導体層に設けられた上記第１の入出力端子に接続され、
上記第２の入出力結合ビア導体の一端は上記第２の導体層に短絡され、上記第２の入出力結合ビア導体の他端は、上記第１の導体層に設けられた上記第２の入出力端子に接続されることを特徴とする。
【００１３】
さらに、上記高周波フィルタ装置において、
上記導波管共振器部分は、所定幅及び所定長さの矩形形状を有し、
上記第１及び第２の入出力結合ビア導体は、上記導波管共振器部分の長さ方向の中心線上で、かつ上記導波管共振器部分の中心に対して対称に所定間隔で配置され、
上記導波管共振器部分の幅は、上記第１の誘電体層内における信号波長の０．５倍から１倍の間であり、
上記導波管共振器部分の長さは、上記導波管共振器部分の幅の２倍よりも大きく、
上記第１及び第２の入出力結合ビア導体の間隔は上記導波管共振器部分の幅よりも大きいことを特徴とする。
【００１４】
またさらに、上記高周波フィルタ装置において、上記第１及び第２の入出力端子の一方に高周波信号を入力することによって、上記導波管共振器部分において少なくとも基本共振モードと２次共振モードと３次共振モードが励振されることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１５】
本発明に係る高周波フィルタ装置によれば、従来の誘電体導波管型のフィルタに対して、誘電体導波管共振器の２つ以上の共振モードと同時に結合できるので、簡便な構成で２段フィルタ又は３次以上の多段フィルタが実現できる。また、２つ以上の共振モードを同時に結合するので、所望のフィルタ特性実現のために必要な共振器数が低減でき、結果として共振器間結合部のビア導体部における損失の低減が可能となる。また、ビア導体のみの相対位置関係によってフィルタ特性が決定されるので、パターンの重ね合わせ誤差の影響がなく、歩留まり向上が期待できる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る高周波フィルタ装置の構成を示す平面図である。
【図２】図１のＡ−Ａ’線における断面図である。
【図３】図１のフィルタ装置の斜視図である。
【図４】本発明の第２の実施形態に係る高周波フィルタ装置の構成を示す平面図である。
【図５】図４のＡ−Ａ’線における断面図である。
【図６】本発明の各実施形態に係る高周波フィルタ装置の入出力結合ビア導体１０−１，１０−２によって生じる磁力線１３を模式的に描いた図である。
【図７】本発明の各実施形態に係る高周波フィルタ装置の導波管共振器部分９に励振される基本共振モード（ＴＥ０１１モード）の磁力線１３を模式的に描いた図である。
【図８】本発明の各実施形態に係る高周波フィルタ装置の導波管共振器部分９に励振される２次共振モード（ＴＥ０１２モード）の磁力線１３を模式的に描いた図である。
【図９】本発明の各実施形態に係る高周波フィルタ装置の導波管共振器部分９に励振される３次共振モード（ＴＥ０１３モード）の磁力線１３を模式的に描いた図である。
【図１０】本発明の第１の実施形態の第１の実施例に係る高周波フィルタ装置の周波数応答特性の実測例を示すグラフである。
【図１１】本発明の第１の実施形態の第１の実施例に係る高周波フィルタ装置において、入出力結合ビア導体１０−１，１０−２間の距離Ｄを変化させた際の周波数応答特性の実測例を示すグラフである。
【図１２】本発明の第１の実施形態の第２の実施例に係る高周波フィルタ装置の周波数応答特性の実測例を示すグラフである。
【図１３】従来技術のフィルタの斜視図である。
【図１４】図１３のフィルタの上面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態を説明する。
【００１８】
第１の実施形態．
まず、図１乃至図３を参照しながら、本発明の第１の実施形態に係る高周波フィルタ装置について説明する。図１は、本実施形態の高周波フィルタ装置の構成を示す平面図であり、図２は、図１のＡ−Ａ’線における断面図であり、図３は、その斜視図である。
【００１９】
図１乃至図３に示すように、本実施形態の高周波フィルタ装置は、誘電体層１と誘電体層２が積層されており、前記誘電体層１の両面に導体層４と導体層５が形成されており、前記導体層４、５を短絡するように複数のビア導体が遮蔽ビア導体８として形成されている。誘電体層１には、所定領域Ｌ×ａにわたって、周囲が遮蔽ビア導体８によって包囲されかつ内部に遮蔽ビア導体８が存在しない領域である導波管共振器部分９が形成される。前記遮蔽ビア導体８は図のように、導波管共振器部分９を囲むように、ある一定距離以下の間隔を互いに有してそれぞれ配置されている。前記一定距離は、使用する信号の波長の１／２以下であれば遮蔽ビア導体としての機能を発揮する。
【００２０】
さらに、誘電体層１，２に挟まれた導体層４には、導波管共振器部分９内に含まれるように、所定距離Ｄだけ離隔して貫通穴１１−１，１１−２が形成される。導波管共振器部分９に共振モードを励振するための入出力ポートとして、誘電体層２と、導体層４に形成された貫通穴１１−１と、誘電体層１とを貫通するビア導体が入出力結合ビア導体１０−１として設けられ、入出力結合ビア導体１０−１の一方の端が導体層５に接続され、他方の端は誘電体層２の表面に形成されたストリップ導体６の一端（入出力端子１２−１として図示する）に接続されている。従って、入出力結合ビア導体１０−１は、導波管共振器部分９内の所定の第１の位置において、導体層４に接触することなく導体層５とストリップ導体６とを短絡するように形成されている。同様に、導波管共振器部分９に共振モードを励振するためのもう１つの入出力ポートとして、誘電体層２と、導体層４に形成された貫通穴１１−２と、誘電体層１とを貫通するビア導体が入出力結合ビア導体１０−２として設けられ、入出力結合ビア導体１０−２の一方の端が導体層５に接続され、他方の端は誘電体層２の表面に形成されたストリップ導体７の一端（入出力端子１２−２として図示する）に接続されている。従って、入出力結合ビア導体１０−２は、導波管共振器部分９内の第１の位置とは異なる所定の第２の位置において、導体層４に接触することなく導体層５とストリップ導体７とを短絡するように形成されている。このストリップ導体６，７と誘電体層２と導体層４とで、それぞれ、マイクロストリップ線路の信号線を構成する。なお、ストリップ導体６，７の他端はそれぞれ、フィルタ装置への高周波信号の入出力に使用する。
【００２１】
ここで、導波管共振器部分９の形状と寸法を、誘電体層１の比誘電率（εｒ）及び使用する信号周波数をもとに適切に選ぶと、導波管共振器部分９に基本共振モードと２次共振モードを存在させうる。導波管共振器部分９の形状と寸法をさらに適切に選ぶと、導波管共振器部分９に、さらに３次共振モードも存在させることができる。
【００２２】
そこで、基本共振モード及び２次共振モードとの結合が取れる位置に一対の入出力結合ビア導体１０−１，１０−２を配置すれば、入出力端子１２−１，１２−２から２段フィルタとしての特性が実現できる。また、３次以上の高次モードまで利用すれば、さらに多段フィルタとして、透過帯域の広帯域化と平坦化が実現可能である。本構成に限らず、すべての共振器結合型フィルタについて言えることであるが、所望の周波数よりも高周波数側には高次共振モードが存在しうるので、通過帯域近傍において不要な高次共振モードとの結合が起こらない位置に入出力結合ビア導体を配置すれば、通常の帯域フィルタとしての特性を発揮させることが可能である。
【００２３】
第２の実施形態．
本発明の高周波フィルタ装置に関する他の実施形態について、図４及び図５を参照しながら説明する。図４は、本実施形態の高周波フィルタ装置の構成を示す平面図であり、図５は、そのＡ−Ａ’線における断面図である。
【００２４】
図４及び図５に示すように、本実施形態の高周波フィルタ装置は、誘電体層１と誘電体層２と誘電体層３が積層されており、前記誘電体層１の両面に導体層４と導体層５が形成されており、前記導体層４、５を短絡するように複数のビア導体が遮蔽ビア導体８として形成されている。誘電体層１には、所定領域にわたって、周囲が遮蔽ビア導体８によって包囲されかつ内部に遮蔽ビア導体８が存在しない領域である導波管共振器部分９が形成される。前記遮蔽ビア導体８は図のように、導波管共振器部分９を囲むように、ある一定距離以下の間隔を互いに有してそれぞれ配置されている。前記一定距離とは、使用する信号の誘電体層内での波長の１／２以下であれば遮蔽ビア導体としての機能を発揮する。
【００２５】
さらに、この導波管共振器部分９に共振モードを励振するための入出力ポートとして、誘電体層２と、導体層４に形成された貫通穴１１―１と、誘電体層１とを貫通するビア導体が入出力結合ビア導体１０−１として設けられ、入出力結合ビア導体１０−１の一方の端が導体層５に接続され、他方の端は誘電体層２の表面に形成されたストリップ導体６の一端（入出力端子１２−１として図示する）に接続されている。従って、入出力結合ビア導体１０−１は、導波管共振器部分９内の所定の第１の位置において、導体層４に接触することなく導体層５とストリップ導体６とを短絡するように形成されている。ストリップ導体６と誘電体層２と導体層４とで、マイクロストリップ線路の信号線を構成する。また、導波管共振器部分９に共振モードを励振するためのもう１つの入出力ポートとして、誘電体層３と、導体層５に形成された貫通穴１１−２と、誘電体層１とを貫通するビア導体として入出力結合ビア導体１０−２が設けられ、入出力結合ビア導体１０−２の一方の端が導体層４に接続され、他方の端は誘電体層３の表面に形成されたストリップ導体７の一端（入出力端子１２−２として図示する）に接続されている。従って、入出力結合ビア導体１０−２は、導波管共振器部分９内の第１の位置とは異なる所定の第２の位置において、導体層５に接触することなく導体層４とストリップ導体７とを短絡するように形成されている。ストリップ導体７と誘電体層３と導体層５とで、マイクロストリップ線路の信号線を構成する。なお、ストリップ導体６、７の他端はそれぞれ、フィルタへの高周波信号の入出力に使用するものとする。
【００２６】
ここで、導波管共振器部分９の形状と寸法を、誘電体層１の比誘電率（εｒ）及び使用する信号周波数とをもとに適切に選ぶと、導波管共振器部分９に基本共振モードと２次共振モードが存在しうる。導波管共振器部分９の形状と寸法をさらに適切に選ぶと、導波管共振器部分９に、さらに３次共振モードも存在させることができる。
【００２７】
そこで、基本共振モード及び２次共振モードとの結合が取れる位置に一対の入出力結合ビア導体１０−１，１０−２を配置すれば、入出力端子１２−１，１２−２から２段フィルタとしての特性が実現できる。また、３次以上の高次モードまで利用すれば、さらに多段フィルタとして、透過帯域の広帯域化と平坦化が実現可能である。本構成に限らず、すべての共振器結合型フィルタについて言えることであるが、所望の周波数よりも高周波数側には高次共振モードが存在しうるので、通過帯域近傍において不要な高次共振モードとの結合が起こらない位置に入出力結合ビア導体を配置すれば、通常の帯域フィルタとしての特性を発揮させることは可能である。
【００２８】
ここで、第１及び第２の実施形態において、より望ましい構成について説明する。
【００２９】
導波管共振器部分９としては、図１乃至図５に示したように矩形形状が望ましく、今、この矩形の幅をａ、長さをＬとすると、この導波管共振器部分９は、幅がａの矩形導波管が長さＬで終端されている共振器と考えることができる。このような導波管の最低次の伝搬モードはＴＥ０１伝搬モードであり、導波管として正常に動作するためには、使用する周波数範囲で、ＴＥ０１伝搬モードがカットオフにならず、かつ、２次の伝搬モード（ＴＥ０２伝搬モード）以降がカットオフとなることが望ましい。今、使用する信号周波数をｆとし、用いる誘電体層１の比誘電率をεｒとすると、望ましい導波管共振器部分９の幅ａの範囲は以下の通りである。
【００３０】
【数１】
2009133713.tif 000019
【数２】
2009133713.tif 000020
【００３１】
ここで、λは、比誘電率εｒの媒質中を伝搬する周波数ｆの電磁波の波長で、ｃ０は真空中の光速である。
【００３２】
導波管共振器部分９は両端が短絡されており、これによる基本共振モードはＴＥ０１１共振モードとなり、２次共振モードがＴＥ０１２共振モードとなる。従って、導波管共振器部分９の長さＬについては、使用する信号周波数範囲において、少なくともＴＥ０１２共振モードが存在するために、Ｌ＞２ａであることが望ましい。
【００３３】
また、導波管共振器部分９の長さＬが幅ａの５倍を超えると、３次以降の高次共振モードの共振周波数が使用する周波数に近づくことになるが、通過帯域内に３次以上の高次共振モードを含むことが好ましくない場合には、合わせてＬ＜５ａであることがより望ましい。
【００３４】
入出力結合ビア導体１０−１，１０−２は導波管共振器部分９の内部で導体層に直接短絡させていることから、ビア導体に流れる短絡電流により、導波管共振器部分９の内部に、図６に示すようなビア導体の回りを回転する方向の強い磁界を生じさせる。入出力結合に必要な条件は、この磁界によって、ＴＥ０１１モードとＴＥ０１２モードがともに励振され、望ましくは、両モードとより均等に結合することである。図７及び図８に、遮蔽ビア導体により形成された導波管共振器部分９に励振されるＴＥ０１１モード（図７）とＴＥ０１２モード（図８）の磁界分布を模式的に示す。ＴＥ０１１モードは、共振器の中央を中心とした渦巻き状に、ＴＥ０１２モードの磁界は共振器の長手方向に２等分した部分で、それぞれ、逆方向に渦を巻く。入出力結合ビア導体１０−１，１０−２が両モードに対して均等に結合するために望ましい結合位置は、入出力結合ビア導体１０−１，１０−２が導波管共振器部分９の長さ方向の中心線上（図１の中のＡ−Ａ’線上）で、導波管共振器部分９の中心に対して互いに対称の位置にあることが望ましい。
【００３５】
また、一対の入出力結合ビア導体１０−１，１０−２の間隔Ｄについて、間隔Ｄが小さくなると、一対の入出力結合ビア導体１０−１，１０−２が共振器の中央付近に近づいてくるので、ＴＥ０１１モードとの結合効率は向上するが、ＴＥ０１２モードは共振器の中央で磁界の回転方向が反転するので結合効率が急激に減少する。両モードとの良好な結合を実現するためには、Ｄ＞ａであることが望ましい。
【００３６】
さらに好ましくは、入出力結合ビア導体１０−１，１０−２は、基本共振モード及び２次共振モードに対して結合することに加えて、さらに３次共振モードに対しても結合する。図９は、本発明の各実施形態に係る高周波フィルタ装置の導波管共振器部分９に励振される３次共振モード（ＴＥ０１３モード）の磁力線１３を模式的に描いた図である。導波管共振器部分９に、基本共振モード、２次共振モード及び３次共振モードを存在させ、入出力結合ビア導体１０−１，１０−２をこれらのモードに対して結合させることにより、透過帯域の広帯域化と平坦化が実現可能である。
【実施例１】
【００３７】
本願発明をさらに良く理解するために、具体的な実施例を述べる。
【００３８】
第１の実施形態の構成を用いた６０ＧＨｚ帯での２段フィルタに関する具体的実施例を以下に示す。誘電体層１に、厚さ０．２ｍｍと比誘電率８を有するセラミックス材料を用い、導体層４、５には、銀による膜を利用した。さらに、直径０．１ｍｍの遮蔽ビア導体を０．５ｍｍ間隔で配置し、幅ａ＝１ｍｍ、長さＬ＝３ｍｍの導波管共振器部分９を形成した。さらに、厚さ０．１ｍｍを有する同じセラミックス材料で誘電体層２を形成し、その上に特性インピーダンスが５０Ωのマイクロストリップ線路を構成するストリップ導体６を同じく銀で形成した。入出力結合ビア導体１０−１，１０−２は、導波管共振器部分９の長さ方向の中心線上に、中心対称に配置し、ビア導体間隔Ｄは１．６ｍｍから２．２ｍｍの範囲で変化させて試作を行った。
【００３９】
図１０に、実測した特性の一例を示す。反射損失に明瞭に２つの極が存在しており、良好な帯域特性が実現できていることがわかる。帯域内の通過損失は２ｄＢ以下であり、非常に低損失な特性が得られている。前記２つの極の内、周波数の低い方の極がＴＥ０１１共振モードに、高い方の極がＴＥ０２１共振モードに対応しており、２つのモードに対して均等に結合し、良好な帯域特性が実現できていることがわかる。また、通過帯域よりも低周波側は、導波管のカットオフ領域になるので急激に減衰量が増加していることがわかる。従って、図１０の特性は所望周波数の低域側に発生する漏洩波のフィルタリングなどには非常に適した特性であるといえる。
【００４０】
図１１には、入出力結合ビア導体１０−１，１０−２の間隔Ｄを変化させた時の反射損失の変化を示す。先に述べたとおり、間隔Ｄを小さくするとＴＥ０１１共振モードとの結合が大きくなり、ＴＥ０２１共振モードとの結合が小さくなっていることがわかる。
【００４１】
なお、本具体的実施例では、誘電体層としてセラミックス材料を例にして述べたが、これに限定されることはない。セラミックス材料や樹脂材料が比較的適してはいるが、その他にも単結晶誘電体材料や半導体材料なども適用可能である。
【００４２】
本発明の実施形態に係る高周波フィルタ装置において利用可能な周波数範囲については、理論的には制限はないが、実質的には、通常のセラミック材料や樹脂材料とその製造プロセスを用いる場合、１０ＧＨｚ〜２００ＧＨｚの範囲が、フィルタのサイズ、製造精度の関係で望ましい範囲である。
【００４３】
本発明の実施形態に係る高周波フィルタ装置の特徴について述べる。特許文献１のフィルタの製造においては、配線パターン製造プロセスとビア導体形成プロセスという異なる製造プロセスの位置あわせ誤差が、最大の誤差要因となり、これは積層基板を用いた一般的な素子構成において配線構造とビア導体構造を同時に用いる際に、常に重要な課題であった。本発明の実施形態に係る高周波フィルタ装置は、図１乃至図３からもわかるとおり、導波管共振器部分９周辺に形成されたビア導体（遮蔽ビア導体８と入出力結合ビア導体１０−１，１０−２）の相対位置関係のみで基本的なフィルタ特性が決定される。同一層内のビア導体は単独の製造工程にて一括形成されるので、その相対位置関係は非常に精度良く制御できる。よって、本発明の高周波フィルタ装置では、先の積層基板の複数製造プロセスの位置あわせ誤差の影響を受けることなく、再現性の良い、また、歩留まりの高いフィルタ製造が可能となる。
【００４４】
また、本発明の高周波フィルタ装置では、入出力結合ビア導体１０−１，１０−２によって、１つの共振器の中に存在する基本共振モードと２次の共振モードの２つの共振モードと効率よい結合が実現している。従来例では基本共振モードのみを励振する複数の共振器に区切り、それらを直列に結合させていたが、本発明の実施形態では共振器を複数に区切ることがないので、共振器結合の際に生じる損失をなくすことを可能にした。これにより、図１０に示すような低損失なフィルタ動作を実現できている。
【実施例２】
【００４５】
次いで、第１の実施形態の構成を用いた６０ＧＨｚ帯での３段フィルタに関する具体的実施例を以下に示す。本実施例の高周波フィルタ装置において、幅ａ＝１．０３ｍｍ、長さＬ＝３．５ｍｍの導波管共振器部分９を形成した。入出力結合ビア導体１０−１，１０−２の間隔Ｄを１．５ｍｍに形成した。他のパラメータは、第１の実施例のものと同じである。
【００４６】
図１２に、実測した特性の一例を示す。実施例１とは異なり、反射損失特性に３つの明確な極が存在しており、より広い帯域において良好な通過特性を実現できていることが分かる。帯域内での挿入損失は３．５ｄＢ以下であった。
【産業上の利用可能性】
【００４７】
本発明に係る高周波フィルタ装置の構成を利用することによって、フィルタ素子が積層基板の完全に内層のみを利用した構造となるので、積層基板の表層をアンテナやチップ実装に利用することで、基板面積の利用効率が飛躍的に向上する。また、段間結合に伴う損失がないので低損失である。さらに、入出力結合にビア導体を用いたことから、ビア導体間の相対的位置関係によってフィルタ特性が決定されるので、積層基板で常に問題となる積層に伴うパターンずれの影響を受けず、歩留まりの高い生産が可能となるという特徴がある。
【符号の説明】
【００４８】
１，２，３…誘電体層、
４，５…導体層、
６，７…ストリップ導体、
８…遮蔽ビア導体、
９…導波管共振器部分、
１０−１，１０−２…入出力結合ビア導体、
１１−１，１１−２…貫通穴、
１２−１，１２−２…入出力端子、
１３…磁力線。
【手続補正２】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の誘電体層と、
上記第１の誘電体層の上面に形成された第１の導体層と、
上記第１の誘電体層の下面に形成された第２の導体層と、
上記第１の誘電体層において上記第１及び第２の導体層を短絡するようにそれぞれ形成され、上記第１の誘電体層内における信号波長の半分以下の間隔を互いに有してそれぞれ配置された複数の遮蔽ビア導体と、
上記第１の誘電体層において、周囲が上記遮蔽ビア導体によって包囲され、かつ内部に上記遮蔽ビア導体が存在しない領域として形成された導波管共振器部分と、
上記導波管共振器部分内の第１の位置に形成された第１の入出力結合ビア導体と、
上記導波管共振器部分内の上記第１の位置とは異なる第２の位置に形成された第２の入出力結合ビア導体とを備えた高周波フィルタ装置であって、
上記第１の入出力結合ビア導体の一端は、上記第１及び第２の導体層の一方に短絡され、上記第１の入出力結合ビア導体の他端は、上記第１及び第２の導体層の他方に設けられた第１の入出力端子に接続され、
上記第２の入出力結合ビア導体の一端は、上記第１及び第２の導体層の一方に短絡され、上記第２の入出力結合ビア導体の他端は、上記第１及び第２の導体層の他方に設けられた第２の入出力端子に接続され、
上記第１及び第２の入出力端子の一方に高周波信号を入力することによって、上記導波管共振器部分において少なくとも基本共振モードと２次共振モードが励振されることを特徴とする高周波フィルタ装置。
【請求項２】
上記第１の入出力結合ビア導体の一端は上記第１の導体層に短絡され、上記第１の入出力結合ビア導体の他端は、上記第２の導体層に設けられた上記第１の入出力端子に接続され、
上記第２の入出力結合ビア導体の一端は上記第１の導体層に短絡され、上記第２の入出力結合ビア導体の他端は、上記第２の導体層に設けられた上記第２の入出力端子に接続されることを特徴とする請求項１記載の高周波フィルタ装置。
【請求項３】
上記第１の入出力結合ビア導体の一端は上記第１の導体層に短絡され、上記第１の入出力結合ビア導体の他端は、上記第２の導体層に設けられた上記第１の入出力端子に接続され、
上記第２の入出力結合ビア導体の一端は上記第２の導体層に短絡され、上記第２の入出力結合ビア導体の他端は、上記第１の導体層に設けられた上記第２の入出力端子に接続されることを特徴とする請求項１記載の高周波フィルタ装置。
【請求項４】
上記導波管共振器部分は、所定幅及び所定長さの矩形形状を有し、
上記第１及び第２の入出力結合ビア導体は、上記導波管共振器部分の長さ方向の中心線上で、かつ上記導波管共振器部分の中心に対して対称に所定間隔で配置され、
上記導波管共振器部分の幅は、上記第１の誘電体層内における信号波長の０．５倍から１倍の間であり、
上記導波管共振器部分の長さは、上記導波管共振器部分の幅の２倍よりも大きく、
上記第１及び第２の入出力結合ビア導体の間隔は上記導波管共振器部分の幅よりも大きいことを特徴とする請求項１乃至３のうちのいずれか１つに記載の高周波フィルタ装置。
【請求項５】
上記第１及び第２の入出力端子の一方に高周波信号を入力することによって、上記導波管共振器部分において少なくとも基本共振モードと２次共振モードと３次共振モードが励振されることを特徴とする請求項１乃至４のうちのいずれか１つに記載の高周波フィルタ装置。
【手続補正３】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】全図
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【国際調査報告】
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2009133713.tif 000036
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