(57)【要約】【課題】マイクロ波帯からミリ波帯域の周波数帯で動作する高周波装置に関し、特に広帯域信号の多チャンネル信号を分波、合波するフィルタバンク回路に関する【解決手段】誘電体基板や半絶縁性半導体基板で構成される高周波基板上に設けた高周波伝送線路で高域通過型フィルタ（ＨＰＦ）２１、２３、２５、２７と低域通過型フィルタ（ＬＰＦ）２２，２４、２６、２８とを形成し、これらＨＰＦとＬＰＦを組み合わせ、さらにこれらの組み合わせを複数個縦続接続してフィルタバンクを構成する。この構成により小型でありながら、ミリ波帯における広帯域信号の合波、分波回路が可能となる。【選択図】  図１
2004343307.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
高域通過型フィルタと低域通過型フィルタの組み合わせからなるフィルタブロックを複数個縦続接続したことを特徴とする高周波フィルタ回路。
【請求項２】
高域通過型フィルタと低域通過型フィルタの組み合わせからなるフィルタブロックと高周波増幅器とからなり、前記フィルタブロックを複数個縦続接続し、かつ前記縦続接続間の任意の点に高周波増幅器を配置したことを特徴とする高周波フィルタ回路。
【請求項３】
高周波フィルタ回路が高周波信号分波として用いられ、前記高周波フィルタ回路中のフィルタブロックを構成する高域通過型フィルタの遮断周波数と、低域通過型フィルタの遮断周波数がほぼ一致しており、かつ縦続接続した前記フィルタブロックのそれぞれに含まれる前記高域通過型フィルタおよび低域通過型フィルタの前記遮断周波数が異なり、しかも前記遮断周波数が信号入力端子から縦続接続される順序に従い単調に減少するように配置されたことを特徴とする請求項１、２記載の高周波発振素子。
【請求項４】
高域通過型フィルタと低域通過型フィルタが誘電体基板上に形成された伝送線路よりなることを特徴とする請求項１、２、さらに３記載の高周波フィルタ素子。
【請求項５】
高域通過型フィルタと低域通過型フィルタが半絶縁性半導体基板上に形成された伝送線路よりなることを特徴とする請求項１、２、さらに３記載の高周波フィルタ素子。
【請求項６】
高域通過型フィルタと低域通過型フィルタが半絶縁性半導体基板上に形成された伝送線路よりなり、しかも前記半導体基板上に高周波増幅器を形成したことを特徴とする請求項２記載の高周波フィルタ素子
【請求項７】
高域通過型フィルタと低域通過型フィルタが半絶縁性ＧａＡｓ基板、あるいは半絶縁性ＩｎＰ基板上に形成された伝送線路よりなり、しかも前記半導体基板上に電界効果型トランジスタあるいはバイポーラ型トランジスタを形成したことを特徴とする請求項２記載の高周波フィルタ素子。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、マイクロ波帯からミリ波帯域で動作する高周波装置に関し、特に広帯域信号から所望の周波数信号を取り出す分波回路に関する。また、複数の異なる帯域の信号をひとつの広帯域信号に合成する合波回路に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年情報通信分野における技術の進展は著しく、扱われる信号量も急激に増加してきた。これに伴い無線通信における通信帯域の拡大が望まれ、搬送周波数もマイクロ波帯からミリ波帯へとより高い周波数帯域への展開が図られている。現在使用できる無線用周波数およびその周波数帯域は、たえば６０ＧＨｚ帯で６ＧＨｚ程度であるが、光ファイバーを用いた有線系回線では１チャンネルあたり数十Ｇｂｐｓの伝送が実用化されており、将来的には無線通信回線においてもこの伝送容量に順ずる高速伝送特性（帯域２０ＨＧｚ程度から１００ＧＨｚ以上）が必要となると考えられる。
【０００３】
現在広く使われているヘテロダイン方式を考えると、中間周波数やベースバンドにおいて２０ＧＨｚあるいは１００ＧＨｚの帯域の信号を一括して扱うことは現実的でない。コスト面から考えると、べースバンドおよび中間周波数では既存の回路素子を用い、数１００ＭＨｚから２ＧＨｚ程度の帯域信号とし、それらを合波し全体として１０ＧＨｚ程度から１００ＧＨｚ以上の広帯域信号を合成した後、それを搬送波に乗せるサブキャリアマルチプレクシング（ＳＣＭ  ：  ｓｕｂｃａｒｒｉｅｒ  ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ）が有効と思われる。
【０００４】
この場合多くのチャネル信号を含む広帯域信号より、各チャネルを分波するフィルタや、複数のチャネルをまとめ広帯域信号を形成する多チャンネルの合波フィルタが必要となる。従来マイクロ波帯で用いられていたフィルタ素子としては誘電体共振器を並べた誘電体フィルタや表面弾性波フィルタが一般的である。一方、ミリ波帯においては表面弾性波フィルタは用いることができず。誘電体フィルタや薄膜伝送線路を用いる分布定数回路によるフィルタが示されている。これらミリ波帯のフィルタ回路の中で、チャネル分離や合波の目的に用いられているのは送受信共用器あるいは空中線共用器であり、これらは帯域通過型フィルタを並べたものとして理解できる。これらの従来例のひとつとして特許文献１があげられる。
【０００５】
【特許文献１】
特開平５−５５８１２号公報
【特許文献２】
特開平１０−１４５２９８号公報
【特許文献３】
特開昭５２−６２４０１号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明では複数のサブキャリアを含む広帯域信号より、所定の信号を分離する、あるいは複数のサブキャリアを集め、ひとつの広帯域信号とすることを目的としている。そのサブキャリアは数１００ＭＨｚから数ＧＨｚであり、これらを集合した広帯域信号として１００ＧＨｚ以上を扱う。そのため多数のチャネルフィルタが必要となり、これらを誘電体フィルタで構成した場合、実用的な大きさに収めることは困難であった。また、信号は伝送損失の大きなミリ波帯域に広く存在しており、フィルタ特性による挿入損失の影響、回路内伝送に伴う伝送損失の影響を低減することが課題である。これらは特に帯域内の高周波側、すなわち帯域上端側のチャネルにおいて重要な課題と考えられる。
【０００７】
本発明の目的は上記問題点を解消し、全体で数百ＧＨｚの帯域をもつミリ波信号の分波、合波を行うフィルタ素子において、それらを小型で、しかも伝送損失や挿入損失の影響を保証することが可能な高周波フィルタ回路を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決するため、本発明にかかる第１の高周波フィルタ回路は高域通過型フィルタと低域通過型フィルタの組み合わせからなるフィルタブロックを複数個縦続接続した構成をとる。
【０００９】
また、第２の発明である高周波フィルタ回路は、高域通過型フィルタと低域通過型フィルタの組み合わせたフィルタブロックを縦続接続し、しかも縦続接続間の任意の点に高周波増幅器を配置した構成をとる。
【００１０】
これらの構成において、信号分波を目的とするフィルタ回路は、各フィルタブロックの高域通過型フィルタの遮断周波数と、低域通過型フィルタの遮断周波数がほぼ一致しており、かつ縦続接続したフィルタブロックのそれぞれに含まれる高域通過型フィルタおよび低域通過型フィルタの遮断周波数は、信号入力端子から縦続接続される順序に従い単調に減少するように配置された構成をとる。
【００１１】
また高域通過型フィルタと低域通過型フィルタが誘電体基板上に形成された構成をとる。あるいは高域通過型フィルタと低域通過型フィルタが半絶縁性半導体基板上に形成され、半導体増幅器と集積化された構成をとる。
【００１２】
一方、上記第１、第２の各発明に対して、特に各フィルタは平面回路素子である伝送線路型であり、このフィルタを構成する高周波伝送線路として、電気伝導性薄膜を用いたコプレーナ伝送線路、マイクロストリップ伝送線路、スロットライン構造などをとる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
（実施の形態１）
図１に第１の発明の構成を回路ブロックとして示す。本第１の発明はミリ波帯の広帯域信号を各構成チャネルに分波するフィルタバンクを構成したものであり、広帯域信号は信号入力端子１より、後述する高域通過型フィルタ（ＨＰＦｎ）２１、２３・・・２５、２７と低域通過型フィルタ（ＬＰＦｎ）２２、２４・・・２６、２８とからなるフィルタバンクに入る。
【００１４】
その後、帯域中最も上側に位置するチャネルと、その次に位置するチャネルを分離するよう遮断周波数を設定した高域通過型フィルタ（ＨＰＦｎ）２１と低域通過型フィルタ（ＬＰＦｎ）２２を並列に接続したフィルタ段により最上部のチャネルが分離される。
【００１５】
このあとＨＰＦｎ２１を通過した信号はチャンネル信号出力端子ｃｈｎに出力される。一方ＬＰＦｎ２２を通過した信号は次段のフィルタバンク（すなわち、高域通過型フィルタ（ＨＰＦｎ）２３・・・２５、２７と低域通過型フィルタ（ＬＰＦｎ）２４・・・２６、２８からなるフィルタバンク）に通され、上記と同様の考え方にしたがって、上位より二つ目のチャネルがフィルタリングされチャンネル信号出力端子２のｃｈｎ−１端子に出力される。
【００１６】
以下同様なフィルタ構成により、ＨＰＦとＬＰＦの組み合わせを多段に縦続接続することにより、各チャネルをｃｈ１〜ｃｈｎまで分離することが可能となる。なお、ｎは自然数である。
【００１７】
図２は上記の説明を周波数軸上のチャネル配置と、回路ブロックで用いたＨＰＦとＬＰＦの周波数特性とを対比させて示したものである。フィルタ特性は信号入力端子側から順に上から並んでいる。まず周波数帯域中の最も高い端に位置するｃｈｎの周波数バンドをフィルタリングするようＨＰＦｎ３１とＬＰＦｎ３２の周波数特性を設定する。次に隣のｃｈｎ−１をフィルタリングするようにＨＰＦｎ３３とＬＰＦｎ３４の周波数特性を設定する。これを順次繰り返し、最終段には帯域中最も低周波側のｃｈ１とｃｈ２をフィルタリングする遮断周波数にてＨＰＦ１３７とＬＰＦ１３８の周波数特性を設定するものである。
（実施の形態２）
次に図３を用い本第２の発明の実施の形態を示す。図１に示した本第１の発明では帯域内の高周波側のチャネルでは通過するフィルタ数が少なくてすみ、積算されるフィルタの挿入損失の影響を小さい。これは伝送損失が大きなミリ波帯で、しかもより高周波帯の信号を扱う場合に大きな利点となる。その一方、帯域内の低周波側のチャネルでは、複数のフィルタを通過しなくてはならず、フィルタの挿入損失が積算され信号対雑音（Ｓ／Ｎ）特性が許容値以上に劣化する場合がある。本願第２の発明は、この問題点を解決するべく考案されたものであり、その概念を示すブロック図を図３に示した。考案の基本は低周波側の信号減衰を解決するために、フィルタバンク中の任意の点に信号電力を増幅する広帯域増幅器３を配置するものである。この増幅器は信号減衰の補償を目的としたものであり、低雑音増幅器を用いることが望ましい。また挿入する位置がフィルタバンクの上位になると、増幅すべき信号の帯域が広くなり、広帯域増幅特性も要求されるようになる。一般に増幅回路では広帯域性と低雑音特性の両立は難しいため、使用周波数帯域、さらには使用用途および用いるＨＰＦ、ＬＰＦの特性によって、最適な増幅器配置が決定されることになる。
（実施の形態３）
次に本願発明の高周波フィルタ回路を広帯域信号を合波する合波回路に用いた場合の回路ブロックを図４に示す。フィルタは受動素子であり、その入出力特性は信号の伝播方向によらず可逆動作をする。すなわち入出力端子を入れ替えても周波数特性は本来変化しない。そこで図１に示したフィルタ回路を逆向きに使用することで複数の周波数チャネルに分かれた入力信号を、広帯域信号に合波し、ひとつの信号出力端子７より出力することができる。なお、この図４では信号減衰を補償する増幅器を含んでいないが、任意のフィルタ段の後に広帯域増幅器を入れても良いことは明らかである。
【００１８】
以下、実施例として上記実施の形態に示した高周波フィルタ回路に用いた高域通過型フィルタ（ＨＰＦ）および低域通過型フィルタ（ＬＰＦ）の平面回路での構成を具体的に説明する。
（実施例）
図５に本発明の第１の実施例に用いたＨＰＦの平面図を示す。Ｆｅドープの半絶縁性ＩｎＰ基板を高周波基板（基板１１）として用い、この基板１１上にＡｕをベースとした金属薄膜によりマイクロストリップ構造の伝送線路を形成した。裏面には同じくＡｕをベースとした薄膜が高周波信号に対する接地面となるよう前面に形成されている。接地面の導体膜厚は５ミクロンメートルであり、マイクロストリップ線路を形成した表面側のＡｕベース導体層の厚みは２ミクロンメートルとした。なお、マイクロストリップ型伝送線路１２とギャップ１３とはポジ型レジストを用いたフォトリソグラフィーにより導体パターンをレジストに転写したのち、基板全面に対するＡｕベース導体薄膜の蒸着、さらにリフトオフ法による不要部分の除去により形成した。
【００１９】
フィルタ特性設計においては、マイクロストリップ型伝送線路１２の特性インピーダンスは５０オームとしている。基板１１の厚みが１００ミクロンメートルであり、基板１１の比誘電率が約１２であるので、マイクロストリップ線路の幅は約７０ミクロンメートルとなる。またギャップ１３の幅はフォトリソグラフィーのパターニグ精度、再現性を考慮して１０ミクロンメートルとした。図５のμストリップ型伝送線路１２とギャップ１３との部分拡大図である図６に示した形状によるギャップ構造を４個２８５ミクロン間隔で配置することにより遮断周波数約７５ＧＨｚのＨＰＦを実現できた。その周波数特性を図７に示す。図中Ｓ２１と示されたプロットが通過特性であり、７５ＧＨｚを境にして高周波側で通過特性、低周波側で阻止特性を示している。
【００２０】
次に上記のＨＰＦと組み合わせて使用したＬＰＦの平面図を図８に示す。基板１１およびマイクロストリップ型伝送線路１２の構成は図５のＨＰＦと同一のものを用いた。図に示すように１１０ミクロンメートル×２７０ミクロンメートルの幅広パターンが３００ミクロンメートル間隔で３個配置され、その間を幅１０ミクロンメートルの伝送線路で接続した構成をとる。この回路パターンにおける周波数特性が図９であり、約７５ＧＨｚを遮断周波数として、その低域側では通過特性、高域側では阻止特性を示すＬＰＦとして動作している。
【００２１】
本願発明の高周波フィルタ回路はこのようなＨＰＦとＬＰＦを複数個使用するが、その周波数特性はパタ−ン寸法を適宜変更して調整し、使用目的に合わせて組み合わせることにより、フィルタ回路を構成した。
【００２２】
なお、上記の実施例では半導体増幅器に関して記載しなかったが、ベアチップ状の半導体トランジスタをフリップチップ実装したり、半導体基板上に直接形成したものを用いることができる。特に後者の場合、高周波フィルタ回路の扱う周波数帯域が６０ＧＨｚ程度以上になると、フリップチップ実装における接続部分での損失や、実装ずれによる信号損失を除外でき、高周波フィルタ回路の特性向上に有効であった。また、基板にＩｎＰを用い、その上に形成したＩｎＰ系高移動度電解効果型トランジスタ、あるいはヘテロバイポーラトランジスタを用いることで、より広帯域動作可能な増幅器を構成することができ、本願第２の発明の帯域特性の拡大に有効であった。
【００２３】
一方、高周波伝送線路としてマイクロストリップ型伝送線路について述べたが、ストリップ線路型、あるいはコプレーナ線路型でも同様にＨＰＦ、ＬＰＦを形成することができ、高周波フィルタ回路を構成できることは言うまでもない。特にコプレーナ型伝送線路を用いた場合、基板表面に接地面が存在するため、半導体増幅素子との接続がしやすく、裏面の接地面を省略できるなど、製造面でメリットが大きかった。
【００２４】
【発明の効果】
本発明によると、全体で数百ＧＨｚの帯域をもつミリ波信号の通信方式において、例えば数ＧＨｚ程度まで周波数帯域をもつチャネルをそれぞれ分波するようなフィルタバンクを、ＨＰＦとＬＰＦの組み合わせにより構成できる。ＨＰＦやＬＰＦは設計が比較的簡便であり、同一の設計手法を用いて特性の異なるフィルタ群を設計可能である。このことより多数のフィルタを用いる広帯域信号のフィルタ回路を容易に構成できる効果がある。またこの回路構成を逆に用いると、複数チャネルの合波により広帯域信号を形成することが可能となる。さらに、半導体増幅器などをその構成に組みこむこと信号劣化を低減したフィルタバンクとなる高周波フィルタ回路が構成できる。しかも要素となるＨＰＦとＬＰＦを平面回路型とすることで、高周波フィルタ回路全体を小型に構成することが可能となる。さらに平面回路は半導体増幅器と同一基板上で集積化可能であり、低損失、さらには構成によっては増幅機能をも有した高機能性フィルタ回路を実現できる効果がある。
【００２５】
本願発明は特にミリ波帯で複数のサブキャリアを含む広帯域信号より、所定の信号を分離する、あるいは複数のサブキャリアを集め、ひとつの広帯域信号とすることが必要なサブキャリアマルチプレキシング方式で特に有効に機能し、そのサブキャリアは数１００ＭＨｚから数ＧＨｚ、これらを集合した広帯域信号として１００ＧＨｚ以上を扱うことができるという格別の効果を示す。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施の形態を説明する高周波フィルタ回路のブロック構成図
【図２】第１の実施の形態を説明する高周波フィルタ回路の周波数領域のチャンネル配置ならびに各ＨＰＦ、ＬＰＦ特性を示す図
【図３】第２の実施の形態を説明する増幅器を含む高周波フィルタ回路のブロック構成図
【図４】第３の実施の形態を説明する高周波フィルタ回路のブロック構成図
【図５】本願発明に用いた高域通過型フィルタ（ＨＰＦ）平面フィルタの平面図
【図６】図５に示したＨＰＦの要部拡大平面図
【図７】図５に示したＨＰＦの周波数特性図
【図８】本願発明に用いた低域通過型フィルタ（ＬＰＦ）平面フィルタの平面図
【図９】図８に示したＨＰＦの周波数特性図
【符号の説明】
１  信号入力端子
２  信号出力端子
３  広帯域増幅器
４  信号入力端子
５  信号出力端子
６  信号入力端子
７  信号出力端子
１１  基板
１２  マイクロストリップ型伝送線路
１３  ギャップ
１４  ギャップ幅
２１  高域透過型フィルタ  ＨＰＦｎ
２２  低域透過型フィルタ  ＬＰＦｎ
２３  高域透過型フィルタ  ＨＰＦｎ−１
２４  低域透過型フィルタ  ＬＰＦｎ−１
２５  高域透過型フィルタ  ＨＰＦ２
２６  低域透過型フィルタ  ＬＰＦ２
２７  高域透過型フィルタ  ＨＰＦ１
２８  低域透過型フィルタ  ＬＰＦ１
３１  高域透過型フィルタ  ＨＰＦｎ
３２  低域透過型フィルタ  ＬＰＦｎ
３３  高域透過型フィルタ  ＨＰＦｎ−１
３４  低域透過型フィルタ  ＬＰＦｎ−１
３５  高域透過型フィルタ  ＨＰＦ２
３６  低域透過型フィルタ  ＬＰＦ２
３７  高域透過型フィルタ  ＨＰＦ１
３８  低域透過型フィルタ  ＬＰＦ１
４１  高域透過型フィルタ  ＨＰＦｎ
４２  低域透過型フィルタ  ＬＰＦｎ
４３  高域透過型フィルタ  ＨＰＦｎ−１
４４  低域透過型フィルタ  ＬＰＦｎ−１
４５  高域透過型フィルタ  ＨＰＦｎ−２
４６  低域透過型フィルタ  ＬＰＦｎ−２
４７  高域透過型フィルタ  ＨＰＦ２
４８  低域透過型フィルタ  ＬＰＦ２
４９  高域透過型フィルタ  ＨＰＦ１
５０  低域透過型フィルタ  ＬＰＦ１
５１  高域透過型フィルタ  ＨＰＦｎ
５２  低域透過型フィルタ  ＬＰＦｎ
５３  高域透過型フィルタ  ＨＰＦｎ−１
５４  低域透過型フィルタ  ＬＰＦｎ−１
５５  高域透過型フィルタ  ＨＰＦ２
５６  低域透過型フィルタ  ＬＰＦ２
５７  高域透過型フィルタ  ＨＰＦ１
５８  低域透過型フィルタ  ＬＰＦ１
【図１】
2004343307.tif 000003
【図２】
2004343307.tif 000004
【図３】
2004343307.tif 000005
【図４】
2004343307.tif 000006
【図５】
2004343307.tif 000007
【図６】
2004343307.tif 000008
【図７】
2004343307.tif 000009
【図８】
2004343307.tif 000010
【図９】
2004343307.tif 000011