(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
誘電体基板の下面に形成される下面接地導体層と、前記誘電体基板の上面に形成され、且つ中心周波数の高周波信号の信号波長の略４分の１の長さを有する上面接地導体層と、前記下面接地導体層および前記上面接地導体層間を電気的に接続する複数個の貫通導体を高周波信号の伝送方向に所定の間隔を有し、かつ前記伝送方向と直交する方向に所定の幅を有するように２列に配置してなる貫通導体群と、を含み、前記下面接地導体層、前記上面接地導体層および前記貫通導体群で囲まれた伝送領域によって前記高周波信号を伝送する誘電体導波管線路部と、
前記誘電体導波管線路部の開口のそれぞれに対向させて形成され且つ該開口の幅に対応する幅の終端部と、前記終端部と連結され且つ前記高周波信号の伝送方向に沿った方向に伸びる線路部と、を含み、前記下面接地導体層と対向するようにして前記誘電体基板に形成された一対の高周波信号入出力用の信号導体と、を具備し、
前記複数個の貫通導体のうち、同じ列に配置された隣接する貫通導体同士が、前記上面接地導体層および前記下面接地導体層と平行に形成された補助導体層により接続されており、
前記高周波信号用の信号導体は、該信号導体を構成する前記線路部の幅が前記終端部の幅よりも狭く、前記終端部の長さが前記線路部の幅よりも小さいことを特徴とする高周波フィルタ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は通信機器やセンサ等の無線部に使用される高周波フィルタに関し、特に回路基板に一体形成可能で、平面回路としての量産性に優れた構造により低コスト化を実現した高周波フィルタに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、マイクロ波・ミリ波帯において使用される高周波フィルタとしては、空洞共振器もしくは誘電体共振器を用いたものや、回路基板上に形成された平面回路系共振器を組み合わせたものが用いられていた。
【０００３】
このうち空洞共振器を用いるものは、金属から成る中空の筐体における共振を利用するものであることから、筐体内壁に銀等の低損失な導体を用いることにより、共振器自体の損失を低く、すなわちＱ値を高くすることが可能であり、挿入損失の低いフィルタを実現することができる。
【０００４】
また、誘電体共振器を用いるものは、低損失かつ高誘電率の誘電体材料を直方体状や円筒状に加工することにより構成されることから、誘電体内部における電磁波の物理的波長が圧縮される効果から共振器の小型化が可能になり、また回路基板上に配置することにより、外部回路が平面回路である場合にも対応することが可能となる。
【０００５】
また平面回路系共振器を用いた高周波フィルタでは、セラミック材料から成る基板等への厚膜印刷による同時焼成や、プリント回路基板へのエッチング等、量産性の高い製造方法による製作が可能であり、回路素子、ひいては機器全体の小型化・低価格化を実現することができる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前記のような従来の高周波フィルタにおいては、以下のような問題点がある。
【０００７】
空洞共振器を用いた高周波フィルタの場合は、空洞共振器自体に共振波長に応じた空洞寸法が必要とされるために、小型化が困難であるという問題点がある。また空洞共振器と外部回路の接続において、共振している電磁界モードとの結合を効率よく実現するためには導波管や同軸線路を用いなければならないが、これらの伝送路を用いたものは、機器全体の大型化が避けられないという問題点があり、また量産性が低いために低価格化が困難であるという問題点もあった。
【０００８】
誘電体共振器を用いた場合は、平面回路に共振器を配置することにより外部回路との電磁界の結合を実現することができるが、平面回路基板作製の後工程において共振器を配置・実装する精度によって結合度のばらつきが生じてしまうという問題点があり、高精度の実装を行なう必要がある点が量産性を低下させる要因となっているという問題点もあった。また、ミリ波帯のような超高周波においては、共振器の物理寸法が小さくなってしまうために、後工程における良品率を向上させることが困難であるという問題もあった。
【０００９】
また、平面回路系共振器を用いた場合は、共振器を構成する線路導体の形状の不連続部における電磁波の放射の存在や、周波数が高くなるにつれて配線導体の導体損が優位になってしまうことから、空洞共振器等の立体回路系共振器を用いた場合に比べて損失が大きくなってしまうという問題点があった。
【００１０】
本発明は上記従来技術における問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、回路基板に一括形成可能な構造により平面回路としての優れた量産性を有し、しかも低損失な共振器により構成した、挿入損失が低くかつ量産性に優れた高周波フィルタを提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明の高周波フィルタは、誘電体基板の下面に形成される下面接地導体層と、前記誘電体基板の上面に形成され、且つ中心周波数の高周波信号の信号波長の略４分の１の長さを有する上面接地導体層と、前記下面接地導体層および前記上面接地導体層間を電気的に接続する複数個の貫通導体を高周波信号の伝送方向に所定の間隔を有し、かつ前記伝送方向と直交する方向に所定の幅を有するように２列に配置してなる貫通導体群と、を含み、前記下面接地導体層、前記上面接地導体層および前記貫通導体群で囲まれた伝送領域によって前記高周波信号を伝送する誘電体導波管線路部と、前記誘電体導波管線路部の開口のそれぞれに対向させて形成され且つ該開口の幅に対応する幅の終端部と、前記終端部と連結され且つ前記高周波信号の伝送方向に沿った方向に伸びる線路部と、を含み、前記下面接地導体層と対向するようにして前記誘電体基板に形成された一対の高周波信号入出力用の信号導体と、を具備し、前記複数個の貫通導体のうち、同じ列に配置された隣接する貫通導体同士が、前記上面接地導体層および前記下面接地導体層と平行に形成された補助導体層により接続されており、前記高周波信号用の信号導体は、該信号導体を構成する前記線路部の幅が前記終端部の幅よりも狭く、前記終端部の長さが前記線路部の幅よりも小さいことを特徴とするものである。
【００１２】
【発明の実施の形態】
本発明の高周波フィルタによれば、誘電体基板に形成された略４分の１波長の長さの誘電体導波管線路部と、この誘電体導波管線路部の開口のそれぞれに対向させて形成されたマイクロストリップ線路またはストリップ線路構造の高周波信号入出力用の信号導体とを具備する構造としたことにより、誘電体基板内部に両端が開放された、両開放端間の距離が中心周波数の高周波信号の信号波長（管内波長）の約４分の１に対応した導波管共振器が存在している状態に相当するものとなり、この導波管構造にその共振器長に対応した共振周波数で共振が生じる。このとき誘電体導波管線路部の内部における電磁界分布の主モードは、高周波信号の伝送方向をｚ軸とし、このｚ軸に垂直な面において、上面もしくは下面接地導体層に平行な方向と垂直な方向をそれぞれｘ軸とｙ軸とみた場合に、電界はＴＥ101モードに対応した分布となり、磁界はＴＥ101モードと類似した分布であるが、この誘電体導波管線路部の内部で磁束が閉じる形態ではなく、２列の貫通導体群により構成される導波管側壁に相当する部位をそれぞれ取り巻きつつ閉じる形態として分布する。この誘電体導波管線路部内における側壁近傍の磁界の向きは、ＴＥ101モードの磁界に対応した向きとなる。したがって、この誘電体導波管線路部の開口に相当する部位における電界の分布はＴＥ10モードとみなせることから、誘電体基板に対して垂直に分布しており、高周波信号入出力用の信号導体の開放終端部における電界の向きに一致する。しかも、これら信号導体の開放終端部においては、その幅を誘電体導波管線路部の開口の幅に対応するように広げているために、線路状の信号導体に対して終端部が二分岐した線路構造をとって、そのそれぞれの終端が開放となっている構造ともみなせることから、磁界はそれぞれの終端を見る方向において同一方向に線路方向を取り巻くように分布することとなる。すなわちこの誘電体導波管線路部の開口に相当する部位を見る方向においては、それぞれの分岐線路における磁界の向きは逆向きとなることから、この開口相当部位の両側面における磁界の向きに一致することとなる。その結果、終端部を有するマイクロストリップ線路状あるいはストリップ線路状の信号導体と、約４分の１波長長さの誘電体導波管線路部による共振器との結合を効率よく行なうことが可能となり、低損失な立体回路系の共振器に類似した共振構造を有する高周波フィルタを、平面回路内に一括形成可能な構造で組み込むことが可能となる。これにより、挿入損失が低く、平面回路としての量産性に優れた構造を有する、低コストで製作できる高周波フィルタを提供することができる。
【００１３】
そして、本発明の高周波フィルタは、該誘電体導波管線路部による共振器の共振周波数を中心周波数とした帯域通過特性を有するフィルタとなる。
【００１４】
以下、図面に基づいて本発明を詳細に説明する。
【００１５】
図１は本発明の高周波フィルタの例を示す斜視図、図２はその上面図、図３はその要部拡大斜視図である。これらの図において、１は誘電体基板、２は誘電体基板１の上面に形成された高周波信号入出力用の信号導体、３は誘電体基板１の上面に中心周波数の高周波信号の信号波長の略４分の１の長さで形成された上面接地導体層、４は誘電体基板１の下面のほぼ全面に形成された下面接地導体層、５は誘電体基板１の内部に形成された、高周波信号の伝送方向に所定の間隔で、かつ伝送方向と直交する方向に所定の幅で下面接地導体層４および上面接地導体層３間を電気的に接続する２列の貫通導体群である。
【００１６】
上面接地導体層３および下面接地導体層４は所定の厚みの誘電体基板１を挟持する位置に一対の導体層として、誘電体基板１の少なくとも導波管線路形成位置を挟む上下面に形成されている。また、上面接地導体層３・下面接地導体層４間には上面接地導体層３と下面接地導体層４とを電気的に接続するスルーホール導体やビアホール導体等の貫通導体が多数設けられ、これら多数の貫通導体により２列の貫通導体群５を形成している。
【００１７】
これら２列の貫通導体群５は、高周波信号の伝送方向すなわち導波管線路形成方向に所定の繰り返し間隔で、かつ伝送方向と直交する方向に所定の一定の間隔（幅）をもって形成されている。これにより、この誘電体導波管線路部における電気的な側壁を形成している。
【００１８】
ここで、誘電体基板１の厚みすなわち一対の上面接地導体層３・下面接地導体層４間の間隔に対する制限は特にないが、シングルモードで用いる場合には２列の貫通導体群５の幅に対して２分の１以下とすることがよく、これにより誘電体導波管線路部のＨ面に当たる部分が上面接地導体層３・下面接地導体層４で、Ｅ面に当たる部分が貫通導体群５でそれぞれ形成される。
【００１９】
そして、２列の貫通導体群５の各列における貫通導体の間隔が、上面接地導体層３の長さである略４分の１波長より小さい所定の間隔に設定されることで、貫通導体群５により電気的な壁が形成できる。ここでは、各列の貫通導体を複数本ずつ設けることで、信号波長の４分の１未満の間隔で貫通導体を配設することとなり、電気的な壁が形成できることとなる。
【００２０】
また、貫通導体群５の各列を形成する貫通導体同士を電気的に接続する、上面接地導体層３および下面接地導体層４と平行に形成された補助導体層を、必要に応じて適宜設けてもよい。このように一対の上面接地導体層３・下面接地導体層４と貫通導体群５とで囲まれた領域に対してさらに補助導体層を形成することにより、誘電体導波管線路部の内部から見るとその側壁は貫通導体群５と補助導体層とによって細かな格子状になり、様々な方向の電磁波が遮蔽される。
【００２１】
なお、図１〜図３に示した態様では貫通導体群５は２列に形成したが、この貫通導体群５を４列あるいは６列に配設して、２列の貫通導体群５による疑似的な導体壁を２重・３重に形成することにより導体壁からの電磁波の漏れをより効果的に防止することもできる。
【００２２】
このような誘電体導波管線路部によれば、誘電体導波管による伝送線路となるので、誘電体基板１の比誘電率をεrとするとその誘電体導波管線路部のサイズは通常の導波管の１／√εrの大きさになる。従って、誘電体基板１を構成する材料の比誘電率εrを大きいものとするほど誘電体導波管線路部のサイズを小さくすることができて高周波フィルタの小型化を図ることができ、高密度に配線が形成される多層配線基板または半導体素子収納用パッケージあるいは車間レーダの平面回路に一括形成する場合にも利用可能な大きさの誘電体導波管線路部とすることができる。
【００２３】
なお、貫通導体群５を構成する貫通導体は前述のように所定の間隔で配設されており、この間隔は良好な伝送特性を実現するためには一定の繰り返し間隔とすることが望ましいが、上面接地導体層３の長さである信号波長の４分の１未満の間隔であれば、適宜変化させたりいくつかの値を組み合わせたりしてもよい。
【００２４】
誘電体導波管線路部を構成する上面接地導体層３は、誘電体基板１の上面に形成され、その高周波信号の伝送方向の長さを高周波フィルタの中心周波数の高周波信号の略４分の１の長さとされている。これにより、誘電体導波管線路部が共振器長が４分の１波長の共振器として機能するものとなり、この共振器長に対応した帯域特性の高周波フィルタを構成することができる。
【００２５】
誘電体基板１の下面に形成された下面接地導体層４は、誘電体導波管線路部の下部接地導体層として機能するとともに高周波信号入出力用の信号導体２に対する接地導体層としても機能するものであり、少なくともこれら誘電体導波管線路部および信号導体２が形成される領域に対応させて誘電体基板１の下面に広面積に形成される。
【００２６】
高周波信号入出力用の信号導体２は、誘電体基板１の上面または内部に下面接地導体層４に対向させて形成され、かつ誘電体導波管線路部の開口すなわち高周波信号の伝送方向の開口端部のそれぞれに対向させて一対形成されている。そして、信号導体２が誘電体導波管線路の開口と対向する部分は、図１〜図３にも示すように、誘電体導波管線路の開口の幅に対応する幅の終端部とされており、これにより、誘電体導波管線路部との結合を効率よく行なうことができ、誘電体導波管線路部から成る共振器への高周波信号の入力およびこの共振器からの高周波信号の出力の伝送を良好に行なうことができる高周波フィルタが構成される。
【００２７】
この信号導体２の終端部の幅は、誘電体導波管線路部の開口の幅と同程度もしくはそれ以下とすればよく、また、その長さは、信号導体の線路部の幅よりも小さくすればよい。そして、誘電体導波管線路部の開口との間隔の大小は、共振器と外部回路との結合度の増減にそれぞれ対応しており、所望のフィルタ特性に適した結合度を実現する間隔とすればよい。
【００２８】
なお、この信号導体２およびその終端部は、通常は誘電体基板１の上面にマイクロストリップ線路構造のものとして形成すればよく、この場合には誘電体導波管線路部との結合を効率よく行なえるとともに、形成後に終端部をトリミングすることにより結合特性を容易に調整することができる点でも好適なものとなる。
【００２９】
また、この信号導体２および終端部を誘電体基板１の内部に形成し、その上面にも接地導体層を形成することにより、ストリップ線路構造のものとして形成してもよい。この場合は、信号導体の終端部からの放射をより抑制することが可能となり、より高い結合度を実現しうるものとなる。
【００３０】
このような本発明の高周波フィルタを構成する誘電体基板１としては、誘電体として機能し高周波信号の伝送を妨げることのない特性を有するものであればとりわけ限定するものではないが、信号導体２や誘電体導波管線路部を形成する際の精度および製造の容易性の点からは、誘電体基板１はセラミックスから成ることが望ましい。
【００３１】
このようなセラミックスとしてはこれまで様々な比誘電率を持つセラミックスが知られているが、本発明にの高周波フィルタに用いるものとしては常誘電体であることが望ましい。これは、一般に強誘電体セラミックスは高周波領域では誘電損失が大きく伝送損失が大きくなるためである。従って、誘電体基板１の比誘電率εrは４〜100程度が適当である。
【００３２】
このような誘電体基板１としては、例えばアルミナセラミックスや窒化アルミニウムセラミックス・ガラスセラミックス等がある。これらによる誘電体基板１は、例えばセラミックス原料粉末に適当な有機溶剤・溶媒を添加混合して泥漿状になすとともに、これを従来周知のドクターブレード法やカレンダーロール法等を採用してシート状となすことによって複数枚のセラミックグリーンシートを得て、しかる後、これらセラミックグリーンシートの各々に適当な打ち抜き加工を施すとともにこれらを積層し、アルミナセラミックスの場合は1500〜1700℃程度、ガラスセラミックスの場合は850〜1000℃程度、窒化アルミニウムセラミックスの場合は1600〜1900℃程度の温度で焼成することによって製作される。なお、誘電体基板１は誘電体層を複数積層して作製されるものに限られず、単層の誘電体層からなるものであってもよい。
【００３３】
また、信号導体２および上面接地導体層３・下面接地導体層４は、例えば誘電体基板１がアルミナセラミックスから成る場合には、タングステン等の金属粉末に適当なアルミナ・シリカ・マグネシア等の酸化物や有機溶剤・溶媒等を添加混合してペースト状にしたものを用いて厚膜印刷法により少なくとも伝送線路を完全に覆うようにセラミックグリーンシート上に印刷し、しかる後、約1600℃の高温で焼成し、厚みが５〜50μｍ程度となるようにして形成すればよい。なお、金属粉末としては、ガラスセラミックスの場合は銅・金・銀が、窒化アルミニウムセラミックスの場合はタングステン・モリブデンが好適である。
【００３４】
また、貫通導体群５を構成する貫通導体は、例えばビアホール導体やスルーホール導体等により形成すればよい。その断面形状は製作が容易な円形の他、矩形や菱形等の多角形であってもよい。これら貫通導体は、例えばセラミックグリーンシートに打ち抜き加工を施して作製した貫通孔に上面および下面接地導体層３・４と同様の金属ペーストを埋め込み、しかる後、誘電体基板１と同時に焼成して形成すればよい。なお、貫通導体は直径50〜300μｍ程度が適当である。
【００３５】
【実施例】
次に、本発明の高周波フィルタについて具体例を説明する。
【００３６】
比誘電率が8.8、厚みが0.2ｍｍのアルミナセラミックスからなる誘電体基板１上に、同時焼成により、下面のほぼ全面に下面接地導体層４を、上面に線路部の幅が0.2ｍｍで、幅が1.5ｍｍ、長さが0.1ｍｍの開放終端部を有する高周波信号入出力用の信号導体２、およびこの信号導体２の終端から0.1ｍｍの間隔をあけて、幅が1.5ｍｍ、長さが0.6ｍｍの矩形状の上面接地導体３を、また上面接地導体３において信号導体２と相対していない辺に沿って、その辺から0.2ｍｍ内側に断面中心を有する直径が0.1ｍｍのビア導体を0.2ｍｍの等間隔で、誘電体基板１を貫通して上面接地導体３と下面接地導体４とを導通するように配設して２列の貫通導体群５をそれぞれ形成することにより、本発明の高周波フィルタを作製した。
【００３７】
そして、この高周波フィルタのＳパラメータをネットワークアナライザにより計測し、挿入損失特性を求めた。この挿入損失特性の計測結果を図４および図５に示す。
【００３８】
図４および図５はこのようにして作製した本発明の高周波フィルタの通過特性および阻止特性を示す線図であり、いずれも横軸は周波数（単位：ＧＨｚ）を、縦軸はＳパラメータのうちＳ21（単位：ｄＢ）を表わし、特性曲線はそれぞれの周波数特性を示している。これらより分かるように、本発明の高周波フィルタは48ＧＨｚという超高周波帯域においても挿入損失が２ｄＢ程度となっており、低損失な高周波フィルタである。
【００３９】
この結果、本発明の高周波フィルタは平面回路作製プロセスのみにより誘電体基板に一括形成できる構造を有する低損失かつ小形な高周波フィルタであることが確認できた。
【００４０】
なお、以上はあくまで本発明の実施の形態の例示であって、本発明はこれらに限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変更や改良を加えることは何ら差し支えない。例えば、誘電体導波管線路部による共振器を伝送方向に複数個形成することにより、多段構成のフィルタとしてもよい。
【００４１】
【発明の効果】
以上のように、本発明の高周波フィルタによれば、誘電体基板に形成された中心周波数の高周波信号の信号波長の略４分の１波長の長さの誘電体導波管線路部と、この誘電体導波管線路部の開口のそれぞれに対向させて形成された開口の幅に対応する幅の終端部を有する高周波信号入出力用の信号導体とを具備する構造としたことから、平面回路で構成された終端部を有する高周波信号入出力用の信号導体と誘電体導波管線路部による共振器との結合を効率よく行なうことが可能となり、空洞共振器を用いた高周波フィルタの場合の小型化が困難で量産性も低いという問題点や、誘電体共振器を用いた場合の共振器の結合度のばらつきが生じてしまうという問題点や、平面回路系共振器を用いた場合の放射の存在や損失が大きくなってしまうという問題点がなく、平面回路内に一括形成した高周波信号入出力用の信号導体と誘電体導波管線路部による共振器との結合を効率よく行なうことができる、挿入損失が低くしかも量産性に優れた高周波フィルタとなる。
【００４２】
以上のように、本発明によれば、回路基板に一括形成可能な構造により平面回路としての優れた量産性を有し、しかも低損失な共振器により構成した、挿入損失が低くかつ量産性に優れた高周波フィルタを提供することができた。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の高周波フィルタの実施の形態の一例を示す斜視図である。
【図２】本発明の高周波フィルタの実施の形態の一例を示す平面図である。
【図３】本発明の高周波フィルタの実施の形態の一例を示す要部拡大斜視図である。
【図４】本発明の高周波フィルタにおける挿入損失特性のうち通過特性を示す線図である。
【図５】本発明の高周波フィルタにおける挿入損失特性のうち阻止特性を示す線図である。
【符号の説明】
１・・・・・誘電体基板
２・・・・・高周波信号入出力用の信号導体
３・・・・・上面接地導体
４・・・・・下面接地導体
５・・・・・貫通導体群
【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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