(57)【要約】    【課題】      メカニカルフィルタの通過帯域を任意の値に可変とすること。    【解決手段】  メカニカルフィルタ１０１は、局部発振器１０２から出力された基準信号を印可し、入力端子１０３からの入力信号から所望の帯域以外の信号を減衰し、減衰後の信号を出力端子１０４に出力する。局部発振器１０２は、入力端子１０３の入力信号の周波数に対して引き込み可能な周波数の信号を発生し、発生した信号をメカニカルフィルタ１０１に出力する。  【選択図】      図１
2005341303.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
共振周波数から所定の帯域幅以外の信号を減衰する一または複数のメカニカルフィルタと、前記メカニカルフィルタの共振周波数を引き込み可能な周波数の基準信号を発生して前記メカニカルフィルタに印可する局部発振手段と、を具備することを特徴とする可変フィルタ。
【請求項２】
前記局部発振手段は、発生する基準信号の周波数を可変とすることを特徴とする請求項１に記載の可変フィルタ。
【請求項３】
前記局部発振手段は、発生する基準信号の振幅を可変とすることを特徴とする請求項１に記載の可変フィルタ。
【請求項４】
前記局部発信手段から出力された基準信号の位相を１８０度変える位相手段と、前記メカニカルフィルタから出力された信号と前記移相手段において位相を変えられた基準信号とを加算する合成手段と、を具備することを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載の可変フィルタ。
【請求項５】
前記メカニカルフィルタは、固有振動数が互いに同一であることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれかに記載の可変フィルタ。
【請求項６】
前記メカニカルフィルタは、互いの固有振動数が固有振動数から引き込み可能な範囲の周波数が重なり合う範囲にあることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれかに記載の可変フィルタ。
【請求項７】
メカニカルフィルタの共振周波数を引き込み可能な周波数の基準信号を発生して前記メカニカルフィルタに印可し、メカニカルフィルタにおいて入力信号に対して前記引き込み可能な周波数から所定の帯域幅以外の信号を減衰するフィルタリング方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、可変フィルタに関し、特に無線通信回路に用いて好適な可変フィルタに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の可変フィルタとして、非特許文献１に記載されたものが知られている。図９を用いて、従来の可変フィルタの構造と動作について説明する。従来のフィルタは基板上形成され、入出力線路１４、１５と、その線路に対して僅かにギャップをもって配置された両端固定の２つの振動梁１１、１２（共振器）と、その２つの梁を結合する結合梁１３とで構成されている。
【０００３】
入力線路１４から入力した信号は、信号の周波数に応じた電界を発生させ共振器１１に静電力を印加させる。このとき、入力信号の周波数が共振器の共振周波数と一致した場合、共振器は励振され振動する。このため共振周波数を有する信号のみが選択的に電気的信号から機械的振動に変換される。
【０００４】
また、共振器１２と出力線路１５では逆の変換がなされ、機械的信号から電気的信号に再変換され、共振周波数を有する信号のみが通過することができるフィルタというものがある。このとき共振周波数は、共振器の質量とばね定数の関数となる。
【０００５】
入力線路と共振器間にＤＣ電圧を印加すれば、静電力が共振器１１，１２の基板方向に加わる。このとき、静電力の大きさにより共振器の「ばね定数」が変化することで、共振器の共振周波数が変化する「スプリングソフニング現象」という現象がよく知られており、製造誤差などから生じる共振器の共振周波数を微調整することも可能である。
【０００６】
また、一般的に無線通信システムは、上記フィルタを用いて、決められた帯域を幾つかのチャネルに分割して利用している。例えばスーパーヘテロダイン方式の無線端末では、まず初段のフィルタで帯域を選択し、中間周波数もしくはベースバンドに変換した時点で、チャネルを選択する方式が用いられる。
【非特許文献１】アイ・トリプルイー・ジャーナル・オブ・ソリッド−ステイト・サーキット、３５巻、エヌ４頁、２０００年（IEEE Journal of Solid-state Circuits,VOL35,N4,April 2000）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、従来のフィルタでは調整できる周波数の範囲は限られており、また個々のフィルタに対して、共振周波数を測定し、微調整するための印加電圧を設定する必要がある。
【０００８】
従って、従来のフィルタを用いた無線通信装置において、無線周波数に対して、チャネルの帯域と、中心周波数を比較した所謂比帯域が狭いため、無線周波数でチャネル選択をしようとすれば、フィルタの帯域および中心周波数を正確に調整する必要がある。
【０００９】
このように、従来の装置においては、共振周波数の範囲が狭く、また可変とすることが難しいという問題がある。
【００１０】
本発明はかかる点に鑑みてなされたものであり、メカニカルフィルタの通過帯域を任意の値に可変とすることのできる可変フィルタを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明の可変フィルタは、共振周波数から所定の帯域幅以外の信号を減衰する一または複数のメカニカルフィルタと、前記メカニカルフィルタの共振周波数を引き込み可能な周波数の基準信号を発生して前記メカニカルフィルタに印可する局部発振手段と、を具備する構成を採る。
【００１２】
この構成によれば、メカニカルフィルタの固有振動数に対して引き込み可能な周波数を印可することにより、メカニカルフィルタの固有振動数が印可された周波数にシフトすることができ、カニカルフィルタの通過帯域を任意の値に可変とすることができる。
【００１３】
本発明の可変フィルタは、前記局部発振手段は、発生する基準信号の周波数を可変とする構成を採る。また、本発明の可変フィルタは、前記局部発振手段は、発生する基準信号の振幅を可変とする構成を採る。
【００１４】
これらの構成によれば、引き込み可能な周波数あるいは振幅を可変とすることにより、フィルタの通過帯域を変えることができる。
【００１５】
本発明の可変フィルタは、前記局部発信手段から出力された基準信号の位相を１８０度変える位相手段と、前記メカニカルフィルタから出力された信号と前記移相手段において位相を変えられた基準信号とを加算する合成手段と、を具備する構成を採る。
【００１６】
このように、本実施の可変フィルタによれば、局部発振器から出力される基準信号の位相を反転し、位相反転後の基準信号をメカニカルフィルタから出力される信号に合成して基準信号をうち消すことにより、フィルタの出力に基準信号がリークしない。
【００１７】
本発明の可変フィルタは、前記メカニカルフィルタは、固有振動数がお互いに同一である構成を採る。
【００１８】
この構成によれば、フィルタの通過帯域と減衰する帯域の差を増大することができる。
【００１９】
本発明の可変フィルタは、前記メカニカルフィルタは、お互いの固有振動数が固有振動数から引き込み可能な範囲の周波数が重なり合う範囲にある構成を採る。
【００２０】
この構成によれば、フィルタの通過帯域を広げることができる。
【００２１】
本発明のフィルタリング方法は、メカニカルフィルタの共振周波数を引き込み可能な周波数の基準信号を発生して前記メカニカルフィルタに印可し、メカニカルフィルタにおいて入力信号に対して前記引き込み可能な周波数から所定の帯域幅以外の信号を減衰するようにした。
【００２２】
この方法によれば、メカニカルフィルタの固有振動数に対して引き込み可能な周波数を印可することにより、メカニカルフィルタの通過帯域を任意の値に可変とすることができる。
【発明の効果】
【００２３】
本発明の可変フィルタによれば、メカニカルフィルタの共振周波数を引き込み可能な周波数の基準信号を発生してメカニカルフィルタに印可することにより、メカニカルフィルタの共振周波数を任意に可変させることができる。また基準信号の振幅を所望の値にすることで、離調度を変化させることができるためメカニカルフィルタの通過帯域を任意の値に可変することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
本発明の骨子は、メカニカルフィルタの共振周波数を引き込み可能な周波数の基準信号を発生してメカニカルフィルタに印可し、メカニカルフィルタの共振周波数を任意に可変させることである。
【００２５】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。
【００２６】
（実施の形態１）
図１から図４を参照しながら本発明の実施形態１について説明する。図１は、本発明の実施の形態１に係る可変フィルタの構成を示す図である。図１の可変フィルタ１００は、メカニカルフィルタ１０１と、局部発振器１０２と、入力端子１０３と、出力端子１０４から主に構成される。メカニカルフィルタは、当該分野の開発に従事する者には既知であり、例えば従来例で示した両持ち梁を用いた構造や、片持ち梁を用いた構造があり、所望の帯域に固有振動数を有するもの、もしくは所望の帯域で共振する構造であれば何でもよい。
【００２７】
メカニカルフィルタ１０１は、局部発振器１０２から出力された基準信号を印可し、入力端子１０３からの入力信号から所望の帯域以外の信号を減衰し、減衰後の信号を出力端子１０４に出力する。
【００２８】
局部発振器１０２は、入力端子１０３の入力信号の周波数に対して引き込み可能な周波数の信号を発生し、発生した信号をメカニカルフィルタ１０１に出力する。
【００２９】
次に、本実施の形態に係る可変フィルタの引き込み動作について説明する。メカニカルフィルタ１０１に、入力端子から周波数ｆの入力信号と、周波数がｆ０の基準信号を入力すると、出力端子には、ミキサと同様にｆ０とｆの和と差の周波数で現れる。ここで、ｆとｆ０が十分近い状態では、いわゆる「引き込み」と呼ばれる現象が生じ、和と差の周波数の信号が消え、フィルタの共振周波数はｆ０に引き込まれる。
【００３０】
この関係を図２に示す。図２において、横軸は、基準信号の周波数ｆ０を示し、縦軸は基準信号と入力信号の差の周波数の絶対値を示す。すなわち、図２は、フィルタにある周波数の入力信号を印可した場合に現れる基準信号と入力信号の差の周波数の絶対値の分布を示す。
【００３１】
ｆ０とｆが十分離れた状態では、差の周波数が出力端には現れるが、ｆ０とｆが近い状態では、差の周波数が消え、共振周波数すなわち出力端に現れる信号はｆ０に引き込まれる。
【００３２】
このように、基準信号と入力信号の周波数が近い場合、差の周波数はなくなり、単一の周波数で共振することになる。このため、基準信号を引き込み可能は周波数の範囲で所望の周波数にすることで、フィルタの共振周波数を任意に変化させることができる。つまりフィルタの共振周波数を直接個別に調整することなく、所望の周波数で共振する可変フィルタを実現することができる。
【００３３】
次に、図３を用いて共振周波数と引き込みの関係を説明する。図３は可変フィルタの減衰特性を示す図である。図３において、横軸は周波数を示し、縦軸は可変フィルタの通過信号の大きさを示す。
【００３４】
基準信号を入力していない場合、本発明の可変フィルタは、点線３００で示すように広い帯域で共振するこのフィルタに対して、基準信号を入力することで、共振周波数を固定し、しかも帯域を狭くすることができる。
【００３５】
いま基準信号の周波数をｆ０（１）とした場合、本発明の可変フィルタの共振周波数はｆ０（１）となり、３０１に示すような通過特性を有することになる。基準信号をｆ０（２）とすると、同様に本発明の可変フィルタの共振周波数は、３０２に示すようなフィルタ特性になる。３０２に示す通過帯域を丁度チャネルの帯域と一致させることで、チャネル選択可変フィルタを実現することが可能となる。
【００３６】
基準信号源を生成する局部発振器は、無線通信端末には一般的に用いられるものを用いればよい。このため可変フィルタ専用に局部発振器を１個設置してもよいし、無線端末の周波数関係によっては、無線端末に既にある局部発振器から信号を発生させてもよい。
【００３７】
この引き込みが起こるための条件は、機械的な特性を中心に広く研究は行われており、安定条件なども解明されている。例えば「機械力学II  非線形振動論」（理工学社  刊）Ｐ８６などに引き込みの現象が詳細に記載されている。
【００３８】
質量ｍを有する質点がばね定数ｋで支持され、質点に加振力Ｐsin（ωt）と質点の速度Ｖの関数で表されるＦ(Ｖ)が加わった場合、式（１）のように運動方程式で示される。Ｚは質点の変位を示す。Ｆ(Ｖ−Ｚ')をＶ＞Ｚ'として、Ｖの周りにテーラー展開して、式（２）から式（１０）を適用すれば、式（１）は式（１１）に変形される。
【数１】
2005341303.tif 000003
【数２】
2005341303.tif 000004
【数３】
2005341303.tif 000005
【数４】
2005341303.tif 000006
【数５】
2005341303.tif 000007
【数６】
2005341303.tif 000008
【数７】
2005341303.tif 000009
【数８】
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【数９】
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【数１０】
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【数１１】
2005341303.tif 000013
【００３９】
式（１１）におけるｈは式（１２）に示す通り、離調度を示す。この離調度は、フィルタでは通過帯域を示すパラメータとなる。また、式（１３）及び式（１４）の仮定を適用している。
【数１２】
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【数１３】
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【数１４】
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【００４０】
式（１１）の解を式（１５）とおき、Ａとφは時間とともに緩やかに変化する関数とすれば、Ａ０と離調度ｈの関係は図４に示される関係となる。ｆ'（ｖ）を−０．８、ｆ'’’（ｖ）を０．８とし、Ｐ１が０．２から１．４まで変化させた際の応答曲線を示している。このとき安定条件は式（１６）で示され、ハッチングされた領域が不安定な領域となる。
【数１５】
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【数１６】
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【００４１】
フィルタの固有振動数と異なる周波数の信号を加えることにより、離調度を変化させることができるので、Ｐ１すなわち加振力Ｐの振幅を変化させれば、離調度が変化するため帯域を可変にできることを示している。
【００４２】
このように、本実施の形態の可変フィルタによれば、メカニカルフィルタの固有振動数に対して引き込み可能な周波数を印可することにより、メカニカルフィルタの固有振動数が印可された周波数にシフトすることができ、カニカルフィルタの通過帯域を任意の値に可変とすることができる。
【００４３】
またメカニカルフィルタは１つである必要はなく複数個用いてもよい。またその際に個々のメカニカルフィルタの固有振動数は全て同一でも良いし、複数のメカニカルフィルタの固有振動数から引き込み可能な範囲の周波数が重なり合う範囲であれば、固有振動数を僅かにずらして帯域を広げてもよい。
【００４４】
また、メカニカルフィルタは１つである必要はなく複数個用いてもよい。図５に複数個のフィルタを並列に接続して用いた実施例を示す。図５は、本発明の実施の形態１による可変フィルタの構成を示す図である。図５の可変フィルタは、第１のフィルタ２０１と、第２のフィルタ２０２と、第３のフィルタ２０３と、第４のフィルタ２０４と、入力端子２０５と、出力端子２０６と、局部発振器２０７と、切替ＳＷ２０８とから主に構成される。
【００４５】
第１のフィルタ２０１、第２のフィルタ２０２、第３のフィルタ２０３、及び第４のフィルタ２０４は、図１の可変フィルタ１００である。入力端子２０５から入力された信号は、第１のフィルタ２０１、第２のフィルタ２０２、第３のフィルタ２０３、及び第４のフィルタ２０４の４つの可変フィルタに分配される。
【００４６】
局部発振器２０７は、第１のフィルタ２０１、第２のフィルタ２０２、第３のフィルタ２０３、及び第４のフィルタ２０４で中心周波数とする信号を生成して、切替ＳＷ２０８に出力する。切替ＳＷ２０８は、局部発振器２０７において生成された信号を対応する中心周波数別に第１のフィルタ２０１、第２のフィルタ２０２、第３のフィルタ２０３、及び第４のフィルタ２０４のいずれかに出力する。
【００４７】
このようにして局部発振器２０７から第１のフィルタ２０１、第２のフィルタ２０２、第３のフィルタ２０３、及び第４のフィルタ２０４に所望の通過帯域の中心周波数の信号を供給する。
【００４８】
局部発振器２０７において生成された信号が切替ＳＷ２０８を介して第１のフィルタ２０１に加わることにより、第１のフィルタ２０１は、第１のフィルタ２０１自身の共振周波数から局部発振器２０７において生成された信号の周波数に引き込まれ、通過帯域を所望の通過帯域に変化させる。
【００４９】
同様に、第２のフィルタ２０２、第３のフィルタ２０３、及び第４のフィルタ２０４は、フィルタ自身の共振周波数から局部発振器２０７において生成された信号の周波数に引き込まれ、通過帯域を所望の通過帯域に変化させる。
【００５０】
そして、出力端子２０６から第１のフィルタ２０１、第２のフィルタ２０２、第３のフィルタ２０３、及び第４のフィルタ２０４の各フィルタにおいて所望の帯域以外を減衰した信号が合成されて出力される。
【００５１】
なお、図５では、可変フィルタを４個並列に接続した例を示しているが、並列に接続するフィルタの数は４個に限らず、１個以上であればいくつでも良い。
【００５２】
図５の可変フィルタを用いた場合の通過帯域は、各フィルタの通過帯域を重ね合わせた帯域になる。図６は、フィルタ特性の一例を示す図である。図６において、横軸は周波数を示し、縦軸は可変フィルタの通過信号の大きさを示す。
【００５３】
図６（ａ）において、通過帯域３０１は、第１のフィルタ２０１の通過帯域を示す。同様に、通過帯域３０２は、第１のフィルタ２０２の通過帯域を示し、通過帯域３０３は、第１のフィルタ２０３の通過帯域を示し、通過帯域３０４は、第１のフィルタ２０４の通過帯域を示す。
【００５４】
図６（ｂ）において、通過帯域３０５は、入力端子２０５から入力され、出力端子２０６から出力される信号の通過帯域を示す。この入力端子２０５から入力され、出力端子２０６から出力される信号の通過帯域は、第１のフィルタ２０１、第２のフィルタ２０２、第３のフィルタ２０３、及び第４のフィルタ２０４の各フィルタの通過帯域を重ね合わせた帯域になる。
【００５５】
このように本実施の形態の可変フィルタによれば、個々のフィルタが各チャネルに対応するので、１つのフィルタで広い帯域を確保できない場合においても広い帯域を確保することができる。また、本実施の形態の可変フィルタによれば、個々のフィルタの通過帯域の周波数を一致させた場合、フィルタを並列に接続することにより、フィルタ全体でのインピーダンスを下げることができる。
【００５６】
次にフィルタの具体的な構成例について説明する。図７は、本発明の実施の形態１による可変フィルタの構成を示す図である。図７の可変フィルタ４００は、入力端子４０１と、入力端子４０２と、出力端子４０３と、入力線路４０４と、入力線路４０５と、出力線路４０６と、メカニカルフィルタ４０７と、から主に構成される。
【００５７】
入力端子４０１は、帯域を制限する対象の信号の入力を受けつける端子である。そして、入力端子４０１は、入力線路４０４に接続されている。入力端子４０２は、引き込み可能な周波数の信号の入力を受けつける端子である。例えば、入力端子４０２は、図１の局部発振器１０２が発生した信号の入力を受けつける。そして、入力端子４０２は、入力線路４０５と接続されている。
【００５８】
入力線路４０４は、メカニカルフィルタ４０７に対して励振電極として作用する。また出力線路４０６は、検出電極として作用する。
【００５９】
メカニカルフィルタ４０７は、入力線路４０４からの入力信号で励振され、出力端子４０３側で容量変化を検出できるフィルタである。そして、メカニカルフィルタ４０７には、入力端子４０２、入力線路４０５を介して図１の局部発振器１０２から出力された基準信号が入力される。この基準信号により、メカニカルフィルタ４０７の通過帯域周波数は変化する。
【００６０】
なお、メカニカルフィルタ４０７は、入力信号で励振され、出力側で容量変化を検出できるものであればいずれのフィルタでもよい。
【００６１】
（実施の形態２）
実施の形態１では、メカニカルフィルタに入力した基準信号はそのまま出力端にリークされる。ここで、ノッチフィルタに用いる場合は、問題ないが、所望の信号のみを選択する場合は、基準信号が含まれていることにより問題が生じる。
【００６２】
そこで、実施の形態２では、基準信号がフィルタの出力に含まれない構成について説明する。
【００６３】
図８は、本発明の実施の形態２に係る可変フィルタの構成を示す図である。但し、図１と同一の構成となるものについては、図１と同一番号を付し、詳しい説明を省略する。
【００６４】
図８の可変フィルタ５００は、位相器５０１と、合成器５０２とを具備し、局部発振器１０２から出力される基準信号の位相を反転し、位相反転後の基準信号をメカニカルフィルタ１０１から出力される信号に合成して基準信号をうち消す点が図１のメカニカルフィルタと異なる。
【００６５】
図８において、局部発振器１０２は、入力端子１０３の入力信号の周波数に対して引き込み可能な周波数の信号を発生し、発生した信号をメカニカルフィルタ１０１と位相器５０１に出力する。
【００６６】
位相器５０１は、基準信号の位相を所定の分を変化させて合成器５０２に出力する。メカニカルフィルタ１０１を介する基準信号と、位相器５０１を介する基準信号とが合成器５０２に遅延差無しで合成される場合、位相器５０１は、基準信号の位相を１８０度変える。また、メカニカルフィルタ１０１を介する基準信号と、位相器５０１を介する基準信号とが合成器５０２に遅延差ありで合成される場合、位相器５０１は、基準信号の位相を１８０度に遅延差の分を考慮した位相を変える。
【００６７】
すなわち、位相器５０１は、メカニカルフィルタ１０１を介する基準信号と、位相器５０１を介する基準信号とが合成器５０２に入力される際の位相差が１８０度となる様に基準信号の位相を変化させる。
【００６８】
メカニカルフィルタ１０１は、局部発振器１０２から出力された基準信号を印可し、入力端子１０３からの入力信号から所望の帯域以外の信号を減衰し、減衰後の信号を合成器５０２に出力する。
【００６９】
合成器５０２は、メカニカルフィルタから出力された信号と位相器５０１から出力された基準信号を加算し、メカニカルフィルタから出力された信号に含まれる基準信号を位相器５０１から出力された基準信号で打ち消し、基準信号をうち消した信号を出力端子に出力する。この結果、出力端子に基準信号がリークしない。
【００７０】
このように、本実施の可変フィルタによれば、局部発振器から出力される基準信号の位相を反転し、位相反転後の基準信号をメカニカルフィルタから出力される信号に合成して基準信号をうち消すことにより、フィルタの出力に基準信号がリークしない。
【産業上の利用可能性】
【００７１】
本発明は、無線通信回路の可変フィルタに用いるに好適である。
【図面の簡単な説明】
【００７２】
【図１】本発明の実施の形態１による可変フィルタの構成を示す図
【図２】本発明の実施の形態１による引き込み特性を示す図
【図３】本発明の実施の形態１による可変フィルタの特性を示す図
【図４】本発明の実施の形態１による引き込みの応答曲線と安定条件を示す図
【図５】本発明の実施の形態１による可変フィルタの構成を示す図
【図６】フィルタ特性の一例を示す図
【図７】本発明の実施の形態１による可変フィルタの構成を示す図
【図８】本発明の実施の形態２による可変フィルタの構成を示す図
【図９】従来の発明の構成を示す図
【符号の説明】
【００７３】
１０１  メカニカルフィルタ
１０２  局部発振器
１０３  入力端子
１０４  出力端子
【図１】
2005341303.tif 000019
【図２】
2005341303.tif 000020
【図３】
2005341303.tif 000021
【図４】
2005341303.tif 000022
【図５】
2005341303.tif 000023
【図６】
2005341303.tif 000024
【図７】
2005341303.tif 000025
【図８】
2005341303.tif 000026
【図９】
2005341303.tif 000027