(57)【要約】Ｓ／Ｎの低下を生じないバンドパスフィルタを提供する。信号源と負荷回路との間に挿入されるものであり、第１の特性インピーダンスを有する複数の第１伝送線路部と、第１の特性インピーダンスとは異なる第２の特性インピーダンスを有する複数の第２伝送線路部と、を備える。そして、第１伝送線路部と第２伝送線路部とは、交互に配置され、第１伝送線路部の初段は信号源に接続され、第２伝送線路部の最終段は負荷回路に接続されるバンドパスフィルタを提供する。
2019171769.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
信号源と負荷回路との間に挿入されるバンドパスフィルタであって、
第１の特性インピーダンスを有する複数の第１伝送線路部と、
第１の特性インピーダンスとは異なる第２の特性インピーダンスを有する複数の第２伝送線路部と、を備え、
前記第１伝送線路部と前記第２伝送線路部とは、交互に配置され、
前記第１伝送線路部の初段は前記信号源に接続され、
前記第２伝送線路部の最終段は前記負荷回路に接続される
ことを特徴とするバンドパスフィルタ。
【請求項２】
前記第２伝送線路部の最終段に接続される前記負荷回路の入力インピーダンスは、ハイインピーダンスとみなせることを特徴とする請求項１に記載のバンドパスフィルタ。
【請求項３】
前記第１の特性インピーダンスは、前記信号源の出力インピーダンスとインピーダンスマッチングされることを特徴とする請求項１または２に記載のバンドパスフィルタ。
【請求項４】
前記第１伝送線路部及び前記第２伝送線路部は、平行線路、マイクロストリップライン、ストリップライン、コプレーナライン、又は同軸線路として形成されることを特徴とする請求項１から３の何れか１項に記載のバンドパスフィルタ。
【請求項５】
前記第１伝送線路部と前記第２伝送線路部とは、線路幅が異なることを特徴とする請求項１から４の何れか１項に記載のバンドパスフィルタ。
【請求項６】
前記第１伝送線路部と前記第２伝送線路部とは、誘電体の誘電率が異なることを特徴とする請求項１から５の何れか１項に記載のバンドパスフィルタ。
【請求項７】
前記第１伝送線路部と前記第２伝送線路部とは、誘電体の厚さが異なることを特徴とする請求項１から６の何れか１項に記載のバンドパスフィルタ。
【請求項８】
前記第１伝送線路部と前記第２伝送線路部とは、誘電体の透磁率が異なることを特徴とする請求項１から５の何れか１項に記載のバンドパスフィルタ。
【請求項９】
前記第１伝送線路部と前記第２伝送線路部とは、信号線の形状が２次元的もしくは３次元的に異なることを特徴とする請求項１から５の何れか１項に記載のバンドパスフィルタ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、携帯電話やモバイル機器等をはじめとする各種電子機器に用いられるバンドパスフィルタに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、携帯電話やモバイル機器等をはじめとする各種電子機器には、所望の周波数帯域の信号のみを通過させるバンドパスフィルタ（帯域通過フィルタ）が用いられている。パッシブな構成によるバンドパスフィルタとしては、インダクタとキャパシタを組み合わせた回路によるＬＣフィルタ（例えば、特許文献１を参照）、圧電セラミクスを用いたセラミクスフィルタ（例えば、特許文献２を参照）等が用いられている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１５−１０９４８７号公報
【特許文献２】特開２００１−２８５０２２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、図４は、信号源Ｓと負荷回路Ｌの間を伝送線路ＴＬで接続した回路を示している。ここで、信号源Ｓの出力インピーダンスをＺＳ、伝送線路ＴＬの特性インピーダンスをＺ０、負荷回路Ｌの入力インピーダンスをＺＬとする。このような回路では、伝送線路ＴＬの両端において反射を防ぐ目的で、インピーダンスを特性インピーダンスＺ０に整合（マッチング）させる。例えば、ＺＳ≒０、ＺＬ＝∞（ハイインピーダンス）と近似できる場合には、図５に示したように、信号源側にはＺＳに直列に、特性インピーダンスＺ０と整合させるためのマッチング素子Ｚ０＊を挿入し、受信端側にはＺＬに並列に、特性インピーダンスＺ０と整合させるためのマッチング素子Ｚ０＊を設けることにより、インピーダンスを整合させる。【０００５】
このようにマッチング素子を送信端及び受信端に設けると、信号源Ｓが出力する信号は２つのマッチング素子によって分圧される。これにより、信号に伝送損失が生じるため、信号対雑音比（Ｓ／Ｎ，Signal-to-noise ratio）が低下するという問題がある。【０００６】
上述のような、反射を防ぐためのインピーダンスマッチングは、図６に示すように、信号源Ｓと負荷回路Ｌの間に、伝送線路ＴＬを介して、バンドパスフィルタのようなフィルタ回路Ｆを設ける場合にも必要とされるため、信号源Ｓと負荷回路Ｌとを伝送線路ＴＬで接続する場合と同様、Ｓ／Ｎが低下するという問題が生じる。【０００７】
本発明の課題は、上記の問題を解決し、Ｓ／Ｎの低下を生じないバンドパスフィルタを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記の課題を解決すべく、本発明に係るバンドパスフィルタは、信号源と負荷回路との間に挿入されるものであり、第１の特性インピーダンスを有する複数の第１伝送線路部と、第１の特性インピーダンスとは異なる第２の特性インピーダンスを有する複数の第２伝送線路部と、を備える。そして、第１伝送線路部と第２伝送線路部とは、交互に配置され、第１伝送線路部の初段は信号源に接続され、第２伝送線路部の最終段は負荷回路に接続される。【０００９】
本発明では、第２伝送線路部の最終段に接続される負荷回路の入力インピーダンスは、ハイインピーダンスとみなせるとよい。なお、「ハイインピーダンスとみなせる」、とは、信号源の出力インピーダンスやバンドパスフィルタを構成する各伝送線路部の特性インピーダンスと比較して負荷回路の入力インピーダンスが十分に大きいことを意味する。このような構成により、信号源から出力される信号を少ない伝送損失で負荷回路に伝送することができ、その結果、Ｓ／Ｎが低下するのを防ぐことができる。【００１０】
第１の特性インピーダンスは、信号源の出力インピーダンスとインピーダンスマッチングされるとよい。【００１１】
第１伝送線路部及び第２伝送線路部は、平行線路、マイクロストリップライン、ストリップライン、コプレーナライン、又は同軸線路として形成されるとよい。【００１２】
第１伝送線路部と第２伝送線路部とは、線路幅が異なるとよい。あるいは、第１伝送線路部と第２伝送線路部とは、基板の誘電体の誘電率が異なってもよい。あるいは基板の透磁率が異なってもよい。あるいは、第１伝送線路部と第２伝送線路部とは、誘電体の厚さが異なってもよい。あるいは、信号線の形状を第１伝送線路部と第２伝送線路部とで２次元的もしくは３次元的に異ならせてもよい。このように、線幅、誘電率、透磁率、誘電体の厚み、２次元的もしくは３次元的な形状等を第１伝送線路部と第２伝送線路部とで異ならせることにより、第１伝送線路部の特性インピーダンスと第２伝送線路部の特性インピーダンスとを異ならせることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】バンドパスフィルタＦの構造の一例を示す斜視図である。
【図２】信号源Ｓと負荷回路Ｌとの間にバンドパスフィルタＦを設けた回路構成を模式的に示す図である。
【図３】図３（ａ）〜（ｅ）は、伝送線路部の数Ｎをパラメータとして変化させたときのバンドパスフィルタＦの周波数応答を示す。
【図４】信号源Ｓと負荷回路Ｌの間を伝送線路ＴＬで接続した回路を示す。
【図５】図４の回路において信号源側の端部及び負荷回路側の端部にそれぞれインピーダンスマッチング用の素子を設けた回路を示す。
【図６】信号源Ｓと負荷回路Ｌの間に、伝送線路ＴＬを介して、フィルタ回路Ｆを設けた従来の回路構成を示している。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下に、図を参照しながら、本発明の実施形態に係るバンドパスフィルタＦの構成を説明する。
【００１５】
図１は、バンドパスフィルタＦの構造の一例を示す斜視図である。図１に示されるように、バンドパスフィルタＦは、第１の特性インピーダンスＺ１を有する第１伝送線路部ＴＬ１（ＴＬ１−１〜ＴＬ１−ｎ、ただしｎは自然数であり、図１の例ではｎ＝５）と、第１の特性インピーダンスＺ１とは異なる第２の特性インピーダンスＺ２を有する第２伝送線路部ＴＬ２（ＴＬ２−１〜ＴＬ２−ｎ）とを有する。バンドパスフィルタＦの入力端には第１伝送線路部ＴＬ１−１が設けられ、この第１伝送線路部ＴＬ１−１に続けて第２伝送線路部ＴＬ２−１が設けられる。更に、第１伝送線路部ＴＬ１（ＴＬ１−２〜ＴＬ１−ｎ）と第２伝送線路部ＴＬ２（ＴＬ２−２〜ＴＬ２−ｎ）とが、交互に連設され、最後部の第２伝送線路部ＴＬ２−ｎがバンドパスフィルタＦの出力端となる。したがって、第１伝送線路部ＴＬ１と第２伝送線路部２２は合計で偶数個（２ｎ個）設けられることになる。
【００１６】
図１に示されるように、バンドパスフィルタＦは、誘電体基板２０の表面と裏面に線路となる導体箔２１を形成した平行線路として構成される。平行線路の伝送線路の特性インピーダンスは、線路幅、誘電体基板２０の厚み、誘電体基板２０の比誘電率（μ）、導体箔の厚み等（ｔ）により定まる。誘電体基板２０の厚み、誘電体基板２０の比誘電率、及び導体箔の厚みを一定とすると、伝送線路の特性インピーダンスは線路幅により決定される。第１伝送線路部ＴＬ１と第２伝送線路部ＴＬ２とは、特性インピーダンスを異ならせるべく互いに異なる線路幅（Ｗ１、Ｗ２）を有する線路として形成される。第１伝送線路部ＴＬ１の特性インピーダンスＺ１及び第２伝送線路部ＴＬ２の特性インピーダンスＺ２は、線路幅、誘電体の誘電率や透磁率等をパラメータとする公知の計算式により求めることができる。また、信号線の形状を２次元的もしくは３次元的に変更することでインピーダンスを変化させることができる。
【００１７】
このようにして特性インピーダンスが設計される第１伝送線路部ＴＬ１（ＴＬ１−１〜ＴＬ１−ｎ）及び第２伝送線路部ＴＬ２（ＴＬ２−１〜ＴＬ２−ｎ）を、入力端側を第１伝送線路部ＴＬ１−１、出力端側を第２伝送線路部ＴＬ２−ｎとして、交互に連接して設ける。急峻なバンドパスフィルタを実現するには、第１伝送線路部ＴＬ１と第２伝送線路部ＴＬ２を信号が伝搬する時間を等しくすることが好ましい。つまり、誘電率や透磁率を変えて特性インピーダンスＺ１や特性インピーダンスＺ２を調整すると、信号の伝搬速度が変わるので第１伝送線路部ＴＬ１と第２伝送線路部ＴＬ２の長さの調整が必要となる。もし、基板の誘電率や透磁率が一定で、伝送する線路の幅を変えることにより特性インピーダンスＺ１や特性インピーダンスＺ２を調整する場合には、第１伝送線路部ＴＬ１と第２伝送線路部ＴＬ２の長さを等しくすることにより、伝搬時間を等しくすることができる。
【００１８】
このように構成されるバンドパスフィルタＦの通過帯域の中心周波数ｆｃは、次の式（１）で求めることができる。
ｆｃ＝ｖ／λ    ・・・（１）
ここでｖは伝送線路を進む信号の速度であり、λは信号の波長である。図１のように、線幅を変えることで特性インピーダンスＺ１や特性インピーダンスＺ２を調整する場合、信号の速度は一定であり、第１伝送線路部ＴＬ１と第２伝送線路部ＴＬ２の長さをいずれもＬとすると、バンドパスフィルタＦの通過帯域の中心周波数ｆｃは、次の式（２）で求めることができる。
ｆｃ＝ｖ／（４Ｌ）    ・・・（２）
【００１９】
図２は、信号源Ｓと負荷回路Ｌとの間にバンドパスフィルタＦを設けた回路構成を模式的に示した図である。ここで、信号源Ｓの出力インピーダンスをＺＳとし、負荷回路Ｌの入力インピーダンスをＺＬとする。ＺＳは、第１の特性インピーダンスＺ１と比較して十分に小さいものとし、ＺＬは第２の特性インピーダンスＺ２と比較して十分に大きくハイインピーダンスとみなせるものとする。
【００２０】
信号源Ｓの出力端と初段の第１伝送線路部ＴＬ１−１との間には、バンドパスフィルタＦの入力端部におけるインピーダンスマッチングを実現するためのマッチング素子（例えば抵抗）Ｚ０が直列に設けられる。一方、バンドパスフィルタＦの出力端部と負荷回路Ｌとは直接接続され、インピーダンスマッチングを実現するためのマッチング素子は設けられない。
【００２１】
信号源Ｓで出力された信号は、第１伝送線路部ＴＬ１（ＴＬ１−１〜ＴＬ１−ｎ）及び第２伝送線路部ＴＬ２（ＴＬ２−１〜ＴＬ２−ｎ）の境界部分やバンドパスフィルタＦの出力端（つまり負荷回路Ｌの入力端）にて反射を生じるが、特定の周波数成分については各部での反射の共鳴的効果により、減衰せずにバンドパスフィルタＦを通過して負荷回路Ｌに入力される。
【００２２】
このとき、上記のような構成の回路では、負荷回路Ｌはハイインピーダンスで信号源Ｓからの信号を受けるため、マッチング素子Ｚ０とＺＬとによる分圧に伴う信号振幅の減衰が、実質的に無視できるほど小さくて済む。このため、バンドパスフィルタＦを通過した信号のＳ／Ｎが低下するのを防ぐことができる。
【実施例】
【００２３】
特願２０１５−１９５１１８に記載のシミュレーション方法により、図２に示した構造のバンドパスフィルタＦについて、第１伝送線路部ＴＬ１と第２伝送線路部ＴＬ２の合計数（Ｎ＝２ｎ）をパラメータとして、周波数応答のシミュレーションを実施した結果を図３（ａ）〜（ｅ）に示す。【００２４】
シミュレーション条件はＺ１＝５０Ω、Ｚ２＝１００Ω、伝送線路の長さＮ×Ｌ＝１．０ｍであり、信号源Ｓの周波数を掃引し負荷回路Ｌの入力端における振幅を求めた結果である。【００２５】
図３（ａ）〜（ｅ）に示されるように、Ｎを大きくするほど、通過帯域と遮断帯域の差が大きくなり、選択性の高いフィルタとして機能する。十分な遮断特性を確保するために、Ｎ＞８とすることが好ましい。なお、図３（ａ）〜（ｅ）に示されるように、周波数応答としては、複数の通過帯域が生じるが、バンドパスフィルタとして用いる際は、高次のピークは負荷回路の後段で例えばローパスフィルタ等を用いて取り除けばよい。なお、複数のピークが等間隔で生じる特性を活用し、高次のピークも含め櫛形フィルタとして利用してもよい。【００２６】
以上で示したバンドパスフィルタＦでは、負荷回路Ｌの入力インピーダンスはハイインピーダンスであり、インピーダンスマッチングが不要である。したがって、インピーダンスマッチングのための余分な抵抗が不要であるとともに、マッチング用の素子を挿入することに伴う伝送損失が少ないため、Ｓ／Ｎが低下するのを防ぐことができる。
また、バンドパスフィルタＦは第１伝送線路部と第２伝送線路部とで伝送線路の形状を変えるだけで実現することができる。【００２７】
〔実施形態の変形〕
なお、上記に本実施形態を説明したが、本発明はこれらの例に限定されるものではない。例えば、上記の実施形態では、バンドパスフィルタＦを構成する第１伝送線路部と第２伝送線路部を平行線路とする場合を例に説明したが、マイクロストリップライン、ストリップライン、コプレーナライン、同軸線路、又はその他の構造の伝送線路としてもよい。【００２８】
また、上記実施形態では線路幅を異ならせることにより第１伝送線路部及び第２伝送線路部の特性インピーダンスを異なる値としたが、特性インピーダンスを異なる値とするための手法はこれに限定されない。例えば、第１伝送線路部と第２伝送線路部とで誘電体の誘電率を異ならせる、誘電体の厚さを異ならせる、透磁率を異ならせる、等の手法により第１伝送線路部及び第２伝送線路部の特性インピーダンスを異なる値としてもよい。また、信号線の形状を２次元的もしくは３次元的に変更することでインピーダンスを変化させることができる。【００２９】
また、前述の各実施形態に対して、当業者が適宜、構成要素の追加、削除、設計変更を行ったものや、各実施形態の特徴を適宜組み合わせたものも、本発明の要旨を備えている限り、本発明の範囲に含有される。
【符号の説明】
【００３０】
Ｆ  バンドパスフィルタ
Ｓ  信号源
Ｌ  負荷回路
ＴＬ  伝送線路
ＴＬ１  第１伝送線路部
ＴＬ２  第２伝送線路部
【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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【国際調査報告】
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