(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
グランド層と誘電体層と配線層がこの順に積層されており、配線層はスタブと伝送線路を有し、配線層とグランド層の間にある誘電体層のうち、伝送線路とグランド層の間にある誘電体層が、低誘電率層と高誘電率層を積層することにより形成されていて、スタブとグランド層の間にある誘電体層が、伝送線路とグランド層の間にある誘電体層よりも、高誘電率であることを特徴とする高周波フィルタ。
【請求項２】
グランド層と誘電体層と配線層がこの順に積層されており、配線層はスタブと伝送線路を有し、配線層とグランド層の間にある誘電体層のうち、伝送線路とグランド層の間にある誘電体層が、低誘電率層と高誘電率層を積層することにより形成され、スタブとグランド層の間にある誘電体層が、低誘電率層、第二グランド層および高誘電率層を積層することにより形成されており、スタブと第二グランド層の間にある高誘電率層が、伝送線路とグランド層の間にある誘電体層よりも、高誘電率であることを特徴とする高周波フィルタ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、携帯電話や無線機器等のＲＦモジュール等に用いる小型化を可能にした分布定数型の高周波フィルタに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、携帯電話に代表されるように電子回路の小型化や高性能化が進み、より多くの回路素子がワンチップに納められるようになってきた。特に信号の高速化、ブロードバンド化によりＧＨｚ帯の帯域通過フィルタ等の小型化、高性能化が強く望まれている。また、製造の低コスト化、製造プロセスの簡略化などの課題に対する解決も強く求められている。
【０００３】
帯域通過フィルタ等は、例えば携帯電話や無線機器といった通信機器のＲＦ回路部で送受信の周波数帯域を区別したり、不要な周波数帯域を取り除くために使われる。理想的な帯域通過フィルタの特性を図２に示す。所望の通過帯域の損失が少なく平坦な信号通過帯域幅を持ち、かつ急峻で十分な減衰特性を有している。このような帯域通過フィルタは、一般に集中定数回路素子を用いた場合、図３に示すようにＬＣ並列共振回路（ａ）や直列共振回路（ｂ）を用いることにより所望の特性を有する回路を構成する。直列共振器は、Ｌ（インダクタのインダクタンス）とＣ（キャパシタのキャパシタンス）の共振周波数
【０００４】
【数１】
0004475195.tif 000002
【０００５】
でインピーダンスが０となり、所望の周波数を取り出す方法であり、並列共振器は共振周波数ｆ０でインピーダンスが無限大となることにより所望の周波数を取り出す方法である。さらに広帯域で理想な周波数特性に近づけるためには、複数の共振回路を組み合わせることにより行う。
【０００６】
また、１ＧＨｚ以上もの周波数を取り扱う場合には、信号の波長λが素子の大きさに近くなり集中定数のＬやＣを使用することができなくなるため、マイクロストリップ線路などを利用して構成することが一般的である。
【０００７】
図４と図５は、従来のマイクロストリップ線路を用いて構成した高周波帯域通過フィルタである（特許文献１、２、非特許文献１参照）。これらは、基本的にはλ／２の長さを持つ線路を組み合わせて共振器を構成する。図４に示す高周波帯域通過フィルタでは各線路の端部がギャップ１２を介して、図５に示す高周波帯域通過フィルタでは各線路の側部がギャップ１５を介して結合し、共振器を構成している。
【０００８】
図６はスタブを利用した高周波帯域通過フィルタを示している。入力４から出力５への伝送線路２の途中に、通過帯域となる中心周波数の４分の１の波長（λ／４）からなり、スタブの伝送線路に接続されていない側の先端がアース接続されたスタブ１（ショートスタブ）を設けて構成される（特許文献３、非特許文献２参照）。通過帯域の幅は、スタブの特性インピーダンスと伝送線路の特性インピーダンスの比を変えることで変更することができ、スタブの特性インピーダンスは線路幅を変えることで変更することができる。
【０００９】
また、小型化を目的として基板に高誘電率材料を用いた高周波フィルタ（特許文献４参照）もある。  
【特許文献１】特開２００１−３５８５０１号公報（特許請求の範囲）
【特許文献２】特開平９−２３２８０７号公報（特許請求の範囲）
【特許文献３】特開２００４−２９７４１１号公報（特許請求の範囲）
【特許文献４】特開平７−１２２９０６号公報（特許請求の範囲）
【非特許文献１】上野伴希著、「試作で学ぶ高周波フィルタの設計法」第１版、総合電子出版、２００２年１月、ｐ．１１１
【非特許文献２】市川裕一著、「シミュレーションで始める高周波回路設計」初版、ＣＱ出版、２００５年３月、ｐ．１２５〜１２６
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
スタブを利用した高周波フィルタのスタブの長さは、フィルタの狙いとする信号通過帯域または信号阻止帯域の中心周波数に対応する波長λのｎ／４（ｎは自然数）に設定する必要がある。従来はスタブに接する誘電体層の比誘電率が小さかったため、中心周波数に対応する波長λが受ける影響が小さく、スタブの長さを短くすることができず、スタブを利用した高周波フィルタを小型化するのが困難であった。また、誘電体層全体に高誘電率材料を用いたものは伝送線路の特性インピーダンスが小さくなり、５０Ωとすることが困難で、一般に５０Ωで設計されている周辺回路とのインピーダンスマッチングが取りにくくなり、信号の損失を低減することが困難であった。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
すなわち本発明は、グランド層と誘電体層と配線層がこの順に積層されており、配線層はスタブと伝送線路を有し、配線層とグランド層の間にある誘電体層のうち、伝送線路とグランド層の間にある誘電体層が、低誘電率層と高誘電率層を積層することにより形成されていて、スタブとグランド層の間にある誘電体層が、伝送線路とグランド層の間にある誘電体層よりも、高誘電率であることを特徴とする高周波フィルタである。
また本発明の別の態様は、グランド層と誘電体層と配線層がこの順に積層されており、配線層はスタブと伝送線路を有し、配線層とグランド層の間にある誘電体層のうち、伝送線路とグランド層の間にある誘電体層が、低誘電率層と高誘電率層を積層することにより形成され、スタブとグランド層の間にある誘電体層が、低誘電率層、第二グランド層および高誘電率層を積層することにより形成されており、スタブと第二グランド層の間にある高誘電率層が、伝送線路とグランド層の間にある誘電体層よりも、高誘電率であることを特徴とする高周波フィルタである。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、高誘電率を有する誘電体層をスタブとグランド層の間という特定位置に配置することにより、容易に伝送線路の特性インピーダンスを５０Ωとすることができ、かつスタブの波長短縮率を小さくすることができる。その結果、信号の損失が非常に小さく、スタブの長さを短く小型化した高周波フィルタが実現できる。しかも、スタブの特性インピーダンスを小さくすることができるので、急峻なフィルタ特性を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
本発明はグランド層と配線層と誘電体層がこの順に積層されており、配線層にはスタブが接続された伝送線路が形成されている高周波フィルタに関する。本発明は、スタブの波長短縮率に着目し、配線層とグランド層の間にある誘電体層のうち、スタブとグランド層の間にある誘電体層が、伝送線路とグランド層の間にある誘電体層よりも高誘電率になるようにしたものである。
【００１４】
本発明について帯域通過フィルタを例にあげ、説明する。帯域通過フィルタの場合、スタブと伝送線路の接合部からみてスタブの入力インピーダンスＺｉはスタブの特性インピーダンスＺｓを用いて、Ｚｉ＝ｊＺｓtanθ（θ：電気長）と表される。スタブの長さＬが、Ｌ＜λ／４の範囲ではインダクタとして、λ／４＜Ｌ＜λ／２の範囲ではキャパシタとして機能し、Ｌ＝λ／４ではＺｉ＝∞となる。すなわち、伝送線路の結合部からみたスタブの入力インピーダンスを並列共振回路と同様に無限大状態にして信号を反射させることにより、所望の通過帯域の信号を得る。
【００１５】
ここで、波長λはλ＝ｋλ０
（λ０：信号通過帯域の中心周波数に対応した波長であり、配線層がすべて比誘電率１の誘電体層で覆われているとして算出される波長。ｋは波長短縮率。）
である。用いる誘電体層の比誘電率によって信号の伝搬速度は変化し、比誘電率が１である自由空間の場合よりも遅くなるので、スタブの長さλ／４は、波長短縮率ｋを考慮したものでなければならない。配線層がすべて均一の比誘電率εｒを持つ誘電体層で覆われているとすると、波長短縮率は以下の式で表される。
【００１６】
【数２】
0004475195.tif 000003
【００１７】
次に、高周波帯域通過フィルタをマイクロストリップ線路で形成する場合について本発明を説明する。
【００１８】
マイクロストリップ線路は、空気、配線層、誘電体層の積層構成となっている。電磁界解析的にはこれと等価なものとして、実効比誘電率（εeff）を有する仮想誘電体層Ａ、スタブ（配線層）、実効比誘電率を有する仮想誘電体層Ａの順番で積層された積層体として計算を行うことができる。スタブの特性インピーダンスＺSは近似的に、
【００１９】
【数３】
0004475195.tif 000004
【００２０】
と表される。このとき、スタブの波長短縮率は
【００２１】
【数４】
0004475195.tif 000005
【００２２】
となる。したがって、誘電体層の比誘電率を大きくすると実効比誘電率が大きくなるので、スタブの周辺にある誘電体層の比誘電率を大きくすることが重要である。
【００２３】
スタブの周辺にある誘電体層の比誘電率を大きくすると、上記数式３にあるようにスタブの特性インピーダンスを小さくすることができ、本発明のように、スタブとグランド層の間にある誘電体層を高誘電率化することによって達成できる。このためスタブの幅や誘電体層の厚さを変えることなく特性インピーダンスを小さくし、急峻なフィルタ特性を得ることが可能となる。
【００２４】
さらに、上記数式４からスタブの長さを
【００２５】
【数５】
0004475195.tif 000006
【００２６】
に比例して短くすることができる。
【００２７】
なお、伝送線路の特性インピーダンスは、伝送線路の幅や配線層の厚さ、さらには誘電体層の厚さと比誘電率等で決定される。通常は５０Ωになるよう設計される。
【００２８】
本発明で用いる誘電体層は、スタブとグランド層の間にある誘電体層が、伝送線路とグランド層の間にある誘電体層よりも高誘電率であれば良く、構成する材料は特に限定されない。
【００２９】
例えば有機材料ではエポキシ樹脂、シロキサン樹脂、フェノール樹脂、ベンゾシクロブテン樹脂、アラミド樹脂、ポリイミド、アクリル樹脂などを用いることができる。チタン酸バリウムやチタン酸ストロンチウム等のフィラーを樹脂に充填して使用することもできる。また、無機材料では、アルミナや窒化アルミニウム、五酸化タンタル等を利用することができる。
【００３０】
本発明の高誘電率層の比誘電率は１０以上、３００以下であることが好ましい。高誘電率層の比誘電率が１０未満では、スタブを十分に短くすることができず、３００より大きいとスタブが短くなりすぎて必要な精度でスタブのパターン加工を行うことが難しくなる。
【００３１】
本発明の高周波フィルタは、スタブを信号通過帯域または信号阻止帯域の中心周波数に対応した波長の４分の１の長さとし、スタブの伝送線路に接続されていない側の先端をグランド層にショートさせることにより、高周波帯域通過フィルタとして形成することができ、スタブの伝送線路に接続されていない側の先端をグランド層にショートさせない場合は、帯域阻止フィルタとして形成することができる。
【００３２】
スタブの波長短縮率が伝送線路の波長短縮率よりも小さくなると、伝送線路の特性インピーダンスが小さくなることなく、スタブの長さを短くすることができ、小型化可能になるという点で好ましい。
【００３３】
本発明によれば、高誘電率を有する誘電体層をスタブとグランド層の間という特定位置に配置することにより、伝送線路の特性インピーダンスが小さくなることなく、５０Ωに設計したままスタブの波長短縮率を小さくすることができる。その結果、スタブの長さを短くすることができるので高周波フィルタの小型化が可能となる。しかも、スタブの特性インピーダンスを小さくすることができるので、急峻なフィルタ特性を得ることができる。
【００３４】
本発明は、伝送線路上やスタブ上にさらに誘電体層を配置したストリップ線路を用いることもできる。ただし、この場合はより短い構造でスタブを構成できるが、構造が複雑になり、製造コストが高くなるというデメリットもあるため、マイクロストリップ線路を利用することが好ましい。
【００３５】
図１（ａ）は、本発明に係る高周波フィルタの第１の実施態様の上面図であり、図１（ｂ）は図１（ａ）の断面図（Ａ−Ｂ間）である。グランド層７と伝送線路２の間に低誘電率層８、スタブ１とグランド層７の間には高誘電率層３が形成されている。
【００３６】
図７に本発明の第２の実施態様の断面図を示す。第２の実施態様は、第１の実施態様と同様に伝送線路２とスタブ１が形成されているが、伝送線路２の下の誘電体層として低誘電率層８上にさらに高誘電率層３が形成された構造である。この場合、グランド層７と伝送線路２の間に比誘電率の異なる２種類の誘電体層３、８が存在するが、低誘電率層８上に高誘電率層３を形成してもグランド層と伝送線路間の容量成分の変化は小さく、グランド層と伝送線路間にある誘電体層全体としては、低誘電率層の比誘電率と大きく変わらないため、伝送線路の特性インピーダンスの低下を抑えることができる。
【００３７】
図８（ａ）は、本発明に係る高周波フィルタの第３の実施態様の上面図であり、図８（ｂ）は図８（ａ）の断面図（Ａ−Ｂ間）である。図８（ａ）では、誘電体層が第二グランド層上に形成されているが、第二グランド層の位置を説明するために誘電体層を省略している。伝送線路２とグランド層７の間は、第２の実施態様と同様、グランド層７上に低誘電率層８と高誘電率層３の２種類の誘電体層が順に積層されている。スタブの方ではさらに高誘電率層３と低誘電率層８の間に第二のグランド層１７が設けられている。この場合は、第二のグランド層１７が請求項１に記載されたグランド層に対応する。第二のグランド層１７を設けることにより、スタブとグランド層との間に高誘電率層のみを形成することができる。第二グランド層１７の幅Ｗｇは、図８（ａ）のように配線層の上面から見てスタブ１の幅Ｗｓよりも大きく形成されるが、幅Ｗｇは幅Ｗｓの２倍以上であることが好ましい。２倍未満では第二グランド層の面積が小さくなりグランド層としての機能を十分に果たすことができない。また、第二グランド層は配線層の上面から見て、伝送線路の下部に位置しないようにスペース（図８における符号ｇ）を設けることが好ましい。スペースの幅ｇは、０．０１ｍｍ以上、２０ｍｍ以下にすることが好ましい。０．０１ｍｍ未満では、配線層のパターニング時のアライメント精度から、伝送線路の下部に第二配線層が位置してしまう可能性があり、その場合には信号の損失の原因となる。２０ｍｍより大きい場合は、スタブの長さを短くすることが難しくなる。
【００３８】
本発明によれば、占有面積の小さい高密度化に適した高周波フィルタを得ることができる。本発明の高周波フィルタの用途は特に限定されないが、携帯電話や無線機器等のＲＦモジュールなどに使用することができる。
【００３９】
以下、図面を参照して本発明の実施態様を説明する。各種パラメーターの例をあげて説明するが、本発明はこれらによって限定されるものではない。
【実施例】
【００４０】
実施例１
図１に示した高周波フィルタに基づいて説明する。図９は図１の第１の実施態様の構成において、電磁界解析により中心周波数２．４ＧＨｚで設計した高周波帯域通過フィルタの周波数特性である。伝送線路の線路幅は０．１ｍｍ、特性インピーダンス約５０Ω、誘電体層の厚さは０．１ｍｍである。また、低誘電率層の比誘電率は９、高誘電率層の比誘電率は１２０、誘電正接を０とした。図９はその周波数特性の計算結果であり、スタブの長さは３．６ｍｍでほぼλ／４になった。信号通過帯域幅を−３ｄＢ以上とすると、信号通過帯域幅は１．１ＧＨｚであった。
【００４１】
また、高誘電率層３の誘電正接が無視できない大きさを持っている場合には、共振の２番目のピークが減衰し、１番目のピークのみを通過させることも可能である。
【００４２】
図１０は図１の高誘電率層３の誘電正接を０．０５とした場合の高周波帯域通過フィルタの周波数特性である。一般に、通過帯の最大損失は−３ｄＢであるから、２番目以降のピーク２０を減衰帯域２２まで低下させることができている。誘電正接を大きくすると高周波での信号の減衰を大きくすることができる。
【００４３】
比較例１
高誘電率層を低誘電率層に置き換えた以外は実施例１と同様にフィルタを設計した（図６）。図１１はその周波数特性の計算結果である。スタブのλ／４の長さは、約１２．７ｍｍであり、信号通過帯域幅を−３ｄＢ以上とすると、信号通過帯域幅は３．２ＧＨｚであった。
【００４４】
【表１】
0004475195.tif 000007
【００４５】
実施例２
図７に示す第２の実施態様において、中心周波数を約２．４ＧＨｚ、伝送線路の線路幅は０．１ｍｍ、特性インピーダンス約５０Ω、誘電体層の厚さを０．１ｍｍ（低誘電率層０．０５ｍｍ）とし、低誘電率層の比誘電率を５、高誘電率層の比誘電率を４５とした場合の周波数特性の計算結果を図１２に示した。スタブのλ／４の長さは、おおよそ５．８ｍｍであり、信号通過帯域幅を−３ｄＢ以上とすると、信号通過帯域幅は２．６ＧＨｚであった。
【００４６】
実施例３
図８に示す第３の実施態様において、第二グランド層の幅を０．２ｍｍ、スタブの幅を０．１ｍｍ、スペースを０．１ｍｍとし、各パラメーターを実施例２と同様に設計した場合の周波数特性の計算結果を図１３に示した。スタブのλ／４の長さは、おおよそ５．８ｍｍであり、信号通過帯域幅を−３ｄＢ以上とすると、信号通過帯域幅は１．９ＧＨｚであった。
【００４７】
比較例２
第二グランド層を用いない以外は実施例３と同様にフィルタを設計した。その構成を図１４に示す。図１５はその周波数特性の計算結果である。信号通過帯域幅を−３ｄＢ以上とすると、信号通過帯域幅は５ＧＨｚであった。
【００４８】
【表２】
0004475195.tif 000008
【００４９】
以上の結果から、本発明による高周波フィルタはより急峻な帯域通過特性が得られている。さらに第２、第３の実施態様では、伝送線路とグランド層の間に低誘電率層と高誘電率層を有し、スタブとグランド層間には高誘電率層のみを有する構造である。これらは、いずれも高誘電率層のパターニングなく形成できるので、プロセスが簡単であるばかりでなく、本発明の第１の実施態様と同様の効果を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００５０】
【図１】本発明の第１の実施態様を説明する高周波フィルタの構造
【図２】理想的な帯域通過フィルタの特性
【図３】フィルタ回路の等価回路
【図４】従来技術による高周波帯域通過フィルタの例
【図５】従来技術による高周波帯域通過フィルタの例
【図６】従来技術による高周波帯域通過フィルタの例
【図７】本発明の第２の実施態様を示す高周波フィルタの構造
【図８】本発明の第３の実施態様を示す高周波フィルタの構造
【図９】本発明の第１の実施態様による高誘電率層の誘電正接が０の場合の高周波帯域通過フィルタの特性
【図１０】本発明の第１の実施態様による高誘電率層の誘電正接が０．０５の場合の高周波帯域通過フィルタの特性
【図１１】従来技術による高周波帯域通過フィルタの特性
【図１２】本発明の第２の実施態様による高周波帯域通過フィルタの特性
【図１３】本発明の第３の実施態様による高周波帯域通過フィルタの特性
【図１４】従来の高周波帯域通過フィルタの構造
【図１５】従来の高周波帯域通過フィルタの特性
【符号の説明】
【００５１】
１    スタブ
２    伝送線路
３    高誘電率層
４    入力
５    出力
６    配線層
７    グランド層
８    低誘電率層
９    インダクタ
１０  キャパシタ
１１、１４    線路長λ／２
１２、１５    ギャップ
１３、１６    線路長λ／４
１７  第二グランド層
１８、１９、２３、２４、２５、２６  信号通過帯域幅
２０  ２番目のピーク
２１  −３ｄＢ
２２  減衰帯域
【図１】
0004475195.tif 000009
【図２】
0004475195.tif 000010
【図３】
0004475195.tif 000011
【図４】
0004475195.tif 000012
【図５】
0004475195.tif 000013
【図６】
0004475195.tif 000014
【図７】
0004475195.tif 000015
【図８】
0004475195.tif 000016
【図９】
0004475195.tif 000017
【図１０】
0004475195.tif 000018
【図１１】
0004475195.tif 000019
【図１２】
0004475195.tif 000020
【図１３】
0004475195.tif 000021
【図１４】
0004475195.tif 000022
【図１５】
0004475195.tif 000023