(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
隣接する共振器との間で結合する複数の共振器によって構成されるフィルタの設計方法であって、
電磁界解析により隣接する共振器の結合のみを考慮して得られる結果と所望の設計特性との差異を比較し、隣接する共振器以外の他の共振器との間の結合である付加的結合が一定値以下となるように前記各共振器の形状を設定するステップと、
設定された前記共振器形状を用いて所望の特性のフィルタのレイアウトを設計するステップと、
各共振器間の結合係数の算出を行うステップと、
結合係数と共振器間距離の関係を示す結合関数の初期関数として電磁界解析により求めた関数を設定するステップと、
算出された結合係数を実現するための共振器間距離を、前記結合関数を用いて算出するステップと、
算出された共振器間距離に基づいてフィルタの試作を行うステップと、
試作されたフィルタの特性と所望のフィルタの特性との差が許容値を越えた場合、前記初期関数として設定した関数と実験値から求めた関数である次候補関数との差に一定の係数を乗算した関数を単位関数として算出し、前記初期関数に前記単位関数を順次加算することにより前記結合関数を段階的に変化させるステップと、
を有するフィルタの設計方法。
【請求項２】
隣接する共振器との間で結合する複数の共振器によって構成されるフィルタの設計方法であって、
電磁界解析により隣接する共振器の結合のみを考慮して得られる結果と所望の設計特性との差異を比較し、隣接する共振器以外の他の共振器との間の結合である付加的結合が一定値以下となるように前記各共振器の形状を設定するステップと、
設定された前記共振器形状を用いて所望の特性のフィルタのレイアウトを設計するステップと、
各共振器間の結合係数の算出を行うステップと、
結合係数と共振器間距離の関係を示す結合関数の初期関数として実験値から求めた関数を設定するステップと、
算出された結合係数を実現するための共振器間距離を、前記結合関数を用いて算出するステップと、
算出された共振器間距離に基づいてフィルタの試作を行うステップと、
試作されたフィルタの特性と所望のフィルタの特性との差が許容値を越えた場合、前記初期関数として設定した関数と電磁界解析により求めた次候補関数との差に一定の係数を乗算した関数を単位関数として算出し、前記初期関数に前記単位関数を順次加算することにより前記結合関数を段階的に変化させるステップと、
を有するフィルタの設計方法。
【請求項３】
前記実験値から求めた関数が、実験的に求めた値を電磁界解析シミュレーションにより求めた結合関数でフィッティングした関数である請求項１または２記載のフィルタの設計方法。
【請求項４】
前記実験値から求めた関数が、実験値を平滑化した関数である請求項１または２記載のフィルタの設計方法。
【請求項５】
前記実験値から求めた関数が、実験値を理論曲線でフィッティングした関数である請求項１または２載のフィルタの設計方法。
【請求項６】
付加結合が一定値以下となるように前記各共振器の形状を設定するステップが、記各共振器の形状を隣接しない共振器との結合が隣接する共振器との結合の１／５〜１／１０以下となるような形状に設定するステップである請求項１から５のいずれか１項に記載のフィルタの設計方法。
【請求項７】
前記各共振器は、超伝導体材料により構成されている請求項１から６のいずれか１項記載のフィルタの設計方法。
【請求項８】
前記超伝導体材料が、高温超伝導体材料である請求項７記載のフィルタの設計方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、フィルタの設計方法、特に帯域通過型マイクロストリップフィルタの設計方法に関し、特にマイクロストリップ共振器間の結合係数の調整方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
各種通信機器等に利用されるフィルタとして、隣接する共振器との間で結合する複数のマイクロストリップ共振器が誘電体基板上に形成されているマイクロストリップフィルタが提案されている。このようなマイクロストリップフィルタは、図３に示されるように、設計により求められた結合係数を実現するように複数個のマイクロストリップ共振器を結合係数に対応する距離だけ離して配置することにより構成される。従って、帯域通過型マイクロストリップフィルタを作製する場合、結合係数を共振器間距離に変換する作業を必要とする。一定の間隔離して配置した２個の共振器を用いて実験的に求めた結合係数は、実験誤差としてランダムな誤差を通常の場合数％含む。一方、コンピュータを用いたシミュレーションとしては精度の高い３次元電磁界解析シミュレーションにより、同様に一定の間隔離して配置した２個の共振器を用いて求めた結合係数は、数％程度の系統的に現れる誤差を含んでいることが知られている。
【０００３】
近年、高温超電導体の出現と共に、高温超電導体を導体材料とし、比帯域幅１％程度の狭帯域で、急峻な帯域外減衰特性を実現するために１０段以上に多段化した帯域通過型マイクロストリップフィルタの開発が盛んに行われている。この場合、結合係数も１０-4程度の精度で極めて正確に実現される必要がある。従って、従来行われていた実験的な方法、あるいはコンピュータを用いた３次元電磁界解析シミュレーションでは、十分な精度で結合係数を共振器間の距離に変換することが出来なかった。そのため、従来のフィルタの設計方法では、各共振器間の結合を修正しながらフィルタの試作を行っていた。このような従来のフィルタの設計方法を図４を参照して説明する。
【０００４】
先ず最初に共振器の形状、レイアウト等のフィルタの設計を行う（ステップ４０１）。次に、所望の特性を実現するための各共振器間の結合係数を算出する（ステップ４０２）。そして、実験的な方法により予め測定しておいた結合係数のデータ、または電磁界解析シミュレーションにより求めておいた結合係数のデータを用いて算出された結合係数を実現するための共振器間距離を求める（ステップ４０３）。そして、求められた共振器間距離に基づいてフィルタの試作を行う（ステップ４０４）。
【０００５】
しかし、実験的な方法により予め測定しておいた結合係数のデータ、または電磁界解析シミュレーションにより求めておいた結合係数のデータには、実験誤差または系統的に現れる誤差が含まれているため、必ずしも試作されたマイクロストリップフィルタの特性が所望のフィルタ特性と一致するとは限らない。そのため試作されたマイクロストリップフィルタの特性と所望のフィルタ特性とを比較し、これらの差が許容範囲内に収まらない場合には、個々の共振器間の結合を調整する必要がある（ステップ４０６）。具体的には、個々の共振器間隔を変更したり、パターンのトリミングや誘電体または金属のねじを用いて共振器間の各々の結合係数を個々に調整する等により共振器間の結合の調整を行っていた。
【０００６】
そして、共振器間隔を変更した場合には、フィルタの試作を再度行い（ステップ４０４）、トリミングやねじによる調整を行った場合には、試作されたフィルタの特性と所望のフィルタ特性との比較を再度行っていた（ステップ４０５）。
【０００７】
そして、従来のフィルタの設計方法では、試作されたフィルタの特性と所望のフィルタ特性との差が許容範囲内となるまで、このような手順を繰り返すことによりフィルタの設計が行われていた。
【０００８】
しかし、トリミングやねじによる調整を行った場合、フィルタの量産時にも同様の調整工程が必要になっていた。そして、このような調整工程は、収束性の悪い非線形的な特徴を有するために未だ自動化が困難であり、人間が行わなければならない。また、この調整工程は個々のフィルタ作製時に各々必要な工程であるため、フィルタ作製コストを高くし、作製に掛かる時間を長くしていた。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
上述した従来のフィルタの設計方法では、量産工程において個々のフィルタ毎に調整工程が必要となるため、作製コストが高くなり、また作製時間が長いという問題点があった。
【００１０】
本発明の目的は、量産工程において、個々のフィルタの結合係数を調整する工程を必要とせずに帯域通過型マイクロストリップフィルタを作製することができる、フィルタの設計方法を提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明のフィルタの設計方法は、隣接する共振器との間で結合する複数の共振器によって構成されるフィルタの設計方法であって、
電磁界解析により隣接する共振器の結合のみを考慮して得られる結果と所望の設計特性との差異を比較し、隣接する共振器以外の他の共振器との間の結合である付加的結合が一定値以下となるように前記各共振器の形状を設定するステップと、
設定された前記共振器形状を用いて所望の特性のフィルタのレイアウトを設計するステップと、
各共振器間の結合係数の算出を行うステップと、
結合係数と共振器間距離の関係を示す結合関数の初期関数として電磁界解析により求めた関数を設定するステップと、
算出された結合係数を実現するための共振器間距離を、前記結合関数を用いて算出するステップと、
算出された共振器間距離に基づいてフィルタの試作を行うステップと、
試作されたフィルタの特性と所望のフィルタの特性との差が許容値を越えた場合、前記初期関数として設定した関数と実験値から求めた関数である次候補関数との差に一定の係数を乗算した関数を単位関数として算出し、前記初期関数に前記単位関数を順次加算することにより前記結合関数を段階的に変化させるステップと、
を有する。
【００１２】
また、本発明の他のフィルタの設計方法は、隣接する共振器との間で結合する複数の共振器によって構成されるフィルタの設計方法であって、
電磁界解析により隣接する共振器の結合のみを考慮して得られる結果と所望の設計特性との差異を比較し、隣接する共振器以外の他の共振器との間の結合である付加的結合が一定値以下となるように前記各共振器の形状を設定するステップと、
設定された前記共振器形状を用いて所望の特性のフィルタのレイアウトを設計するステップと、
各共振器間の結合係数の算出を行うステップと、
結合係数と共振器間距離の関係を示す結合関数の初期関数として実験値から求めた関数を設定するステップと、
算出された結合係数を実現するための共振器間距離を、前記結合関数を用いて算出するステップと、
算出された共振器間距離に基づいてフィルタの試作を行うステップと、
試作されたフィルタの特性と所望のフィルタの特性との差が許容値を越えた場合、前記初期関数として設定した関数と電磁界解析により求めた次候補関数との差に一定の係数を乗算した関数を単位関数として算出し、前記初期関数に前記単位関数を順次加算することにより前記結合関数を段階的に変化させるステップと、
を有する。
【００１４】
本発明によれば、結合係数から共振器間距離を算出するために用いる結合関数を、初期関数として設定した関数と、次候補関数との間で段階的に変化させることにより、精度の高い結合関数を求めることにより結合係数の調整を行うため、各々の結合係数を個々に調整することなく、所望の帯域通過型マイクロストリップフィルタを得る共振器間距離を得ることが出来る。従って、この条件を用いて帯域通過型マイクロストリップフィルタを設計することにより、フィルタの量産工程においても、個々の結合係数の調整は不必要になる。また、一度、十分精度の高い共振器間隔に対する結合係数の関数を求めておくことにより、その後帯域幅や帯域内挿入損失のリップル値、あるいは段数の異なるフィルタや、チェビシェフ型やバターワース型等のタイプの異なるフィルタを作製する場合も、この関数に基づいて、それらフィルタ設計から求められる所望の結合係数に合わせて共振器間距離を算出することにより正確な値が得られ、同じくフィルタの作製工程において、各々の結合係数を個々に調整する必要を無くすことができる。
【００１６】
さらに、本発明では、前記実験値から求めた関数を、実験的に求めた値を電磁界解析シミュレーションにより求めた結合関数でフィッティングした関数、実験値を平滑化した関数、前記実験値から求めた関数が、実験値を理論曲線でフィッティングした関数のいずれかとするようにしてもよい。
【００１７】
本発明によれば、初期関数として、電磁界解析により求めた関数、または実験で求めた値に基づく関数を使用しているので、最終的に得られる精度の十分高い関数に近い関数から関数の調整を始められるため、条件の収束が早く、試作工程の回数が少なくて済む。従って、フィルタの開発期間の短縮と開発コストの削減が可能となる。
【００１８】
また、本発明の他のフィルタの設計方法では、付加結合が一定値以下となるように前記各共振器の形状を設定するステップを、記各共振器の形状を隣接しない共振器との結合が隣接する共振器との結合の１／５〜１／１０以下となるような形状に設定するステップとするようにしてもよい。本発明は、帯域通過型マイクロストリップフィルタを構成するマイクロストリップ共振器において、特に意図しない付加的な結合を生じることの少ない共振器形状を用いたので、隣接共振器間のみの結合を考慮して得られるフィルタの設計方法の適用が容易になる。
【００１９】
本発明の他のフィルタの設計方法では、前記各共振器を、超伝導体材料により構成するようにしてもよい。本発明によれば、帯域通過型マイクロストリップフィルタを構成する導体材料として超伝導材料を用いることにより、１０段以上の多段で狭帯域の帯域通過フィルタを構成することができる。
【００２０】
さらに、前記超伝導体材料を、高温超伝導体材料とするようにしてもよい。このように、上記超伝導材料を特に高温超伝導体で構成することにより、冷却手段として小型・軽量で安価なものが使用できる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の上記の目的、特徴および利点を明確にすべく、添付した図面を参照しながら、本発明の実施形態を以下に詳述する。
【００２２】
上記従来の技術で説明したように、共振器間距離と結合係数の関係を示す関数として、電磁界解析シミュレーションにより求めた関数および実験的に求めた値に基づく関数のいずれを使用しても数％程度の誤差が発生してしまう。そのため、本実施形態のフィルタの設計方法では、結合係数から共振器間距離を算出するために用いる結合関数を、初期関数として設定した関数と、初期関数とは異なる方法により設定された次候補関数との間で段階的に変化させることにより、精度の高い結合関数を求めてマイクロストリップフィルタの設計を行う。
【００２３】
本発明の一実施形態のフィルタの設計方法は、共振器の形状の設定・初期関数となる結合係数の関数を求める処理と、結合係数の算出・フィルタの試作・結合関数を変化させて高精度化する処理とからなる。
【００２４】
先ず、図１を参照して、共振器形状の設定と、初期関数となる結合係数の関数を求める処理について説明する。
【００２５】
フィルタの作製を開始すると共に、先ず、共振器形状を決定する（ステップ１０１）。その際、中心周波数は所望のフィルタ特性の中心周波数に一致させ、Ｑ値の高い構造とすることが望ましい。
【００２６】
次に、この形状の共振器を使用してフィルタを作製した場合に、共振器を飛び越した結合などの付加的な結合が少ないかどうかを確認する（ステップ１０２）。確認方法としては、例えば、アジレントテクノロジー社のモーメンタムやゼーランド社のＩＥ３Ｄ等の３次元電磁界解析シミュレーションソフトを利用して、そのシミュレーション上で算出した共振器間距離に対する結合係数の関数を用いて、隣接共振器間のみの結合を考慮して得られるフィルタの設計方法に沿って設計したフィルタをレイアウトし、そのレイアウトしたフィルタを同じソフト上でシミュレーションする。設計した特性と計算結果が良く一致した場合、その共振器形状は、そのソフト上で特に意図しない付加的な結合を生じることの少ない共振器形状となっている。また、実際にそのようなソフトの精度は誤差数％以内であることが経験的に知られており、現実にその形状の共振器を使用した場合も、誤差数％以内で付加的な結合は少ない。一方、このシミュレーション結果と設計した特性との差が大きい場合には付加的な結合が許容できないほど大きいと判断できるため、共振器形状の設定からやり直す。
【００２７】
このようにして、各共振器の形状は、隣接しない共振器との結合が隣接する共振器との結合の１／５〜１／１０以下となるような形状となる。
【００２８】
次に、電磁界解析シミュレーションにより共振器間距離ｘに対する結合係数の関数ｆs（ｘ）を求める（ステップ１０３）。
【００２９】
次に、図２を参照して、結合係数の算出・フィルタの試作・結合関数を変化させて高精度化する処理について説明する。
【００３０】
先ず、上記のステップ１０１において設定された共振器形状を用いて所望の特性のフィルタのレイアウトの設計を行う（ステップ２０１）。次に、所望の特性を実現するための各共振器間の結合係数の算出を行う（ステップ２０２）。そして、電磁界解析シミュレーションにより求めた結合係数の関数ｆs（ｘ）を初期関数ｆ1（ｘ）として設定する（ステップ２０３）。そして、この初期関数ｆ1（ｘ）を用いて各共振器間の距離を個々に算出する（ステップ２０４）。
【００３１】
そして、ステップ２０４において求められた共振器間距離を用いてフィルタの試作を行い（ステップ２０５）、試作したフィルタの特性が所望のフィルタ特性との差が一定値以内か否かの判定を行う（ステップ２０６）。ステップ２０６において、試作したフィルタの特性と所望の特性との差が一定値以内の場合には、フィルタの設計を終了する。
【００３２】
ステップ２０６において、試作したフィルタの特性と所望の特性との差が一定値以内とならない場合には、初期関数ｆ1（ｘ）の精度が低いと考えられるため、この初期関数ｆ1（ｘ）から、初期関数とは異なる方法により設定された次候補関数として選択した関数に段階的に変化させる。
【００３３】
具体的には、実験的に求めた値を関数ｆs（ｘ）でフィッティングした関数ｆex（ｘ）を求めて次候補関数として選択し（ステップ２０７）、ｆe（ｘ）＝Ｃ（ｆex（ｘ）−ｆs（ｘ））により結合係数調整用の関数である単位関数ｆe（ｘ）を計算する（ステップ２０８）。そして、２回目の結合係数の関数ｆ2（ｘ）を、ｆ2（ｘ）＝ｆ1（ｘ）＋ｆe（ｘ）により求める（ステップ２０９）。ここで、係数Ｃは、０＜Ｃ＜１の範囲にある実数であり、経験的に適切な値を選択する。
【００３４】
そして、この結合関数ｆ2（ｘ）を用いて再度共振器間距離をそれぞれ算出し（ステップ２０４）、算出された共振器間距離を用いてフィルタの試作を行う（ステップ２０５）。
【００３５】
そして、このステップ２０４〜２０９の処理をステップ２０６において試作したフィルタの特性と所望のフィルタ特性との差が一定値以内になるまで行う。つまり、ｎを自然数としてｎ回繰り返して設定した結合係数の関数をｆn（ｘ）と表した場合、ｆn（ｘ）＝ｆn-1（ｘ）＋ｆe（ｘ）により、順次ｆ1（ｘ）、ｆ2（ｘ）、…、ｆn（ｘ）を算出し、フィルタの試作を繰り返す。
【００３６】
そして、試作したフィルタの特性と設計した所望のフィルタ特性が許容範囲内で一致した場合はこの条件を使用してフィルタを量産する。この際、特に基板厚やパターン精度等が十分正確であれば、十分正確な結合が得られるためフィルタ量産時においても個々の共振器間の結合を調整する必要は無くなる。
【００３７】
上記で説明した方法では、初期関数ｆ1（ｘ）に単位関数ｆe（ｘ）を順次加算していくことにより、結合関数をｆ2（ｘ）、ｆ3（ｘ）、…、ｆn（ｘ）と順次変化させて精度の高い結合関数を求めていたが、他の方法により結合関数を変化させるようにしてもよい。
【００３８】
例えば、ｆs（ｘ）に対して一次変換のような変換を施して計算した共振器間距離ｘに対する結合係数の関数ｇ(ｆs（ｘ）)を多数用意する。そして、この関数ｇ(ｆs（ｘ）)を用いてフィルタをレイアウトし、そのレイアウトしたフィルタを３次元電磁界解析シミュレーションする。このシミュレーション結果と、試作フィルタの特性を比較し、特に良く一致している関数ｇ1(ｆs（ｘ）)を用いて、ｆ2（ｘ）=ｇ1-1(ｆs（ｘ）)を２回目の結合係数の関数として用いることも出来る。ここで、ｇ1-1( )はｇ1( )の逆関数である。この場合、シミュレーション上で多数の試行を事前に行っておくことにより、誤差の修正が行いやすい。以下、３回目、４回目と変換を徐々に小さく、細かく収束するように設定していくことにより、所望のフィルタ特性を与える結合係数の関数ｆn（ｘ）を求める。
【００３９】
また、一度、十分精度の高い共振器間距離に対する結合係数の関数が求まっていれば、図１のフィルタの設計として帯域幅や帯域内挿入損失のリップル値、あるいは段数の異なるフィルタや、チェビシェフ型やバターワース型等のタイプの異なるフィルタを新たに設計し、その設計に基づいて算出した結合係数を使用したとしても、精度の高い結合係数の関数から共振器間距離を算出することにより正確な値が得られ、同じく所望のフィルタ特性が許容範囲内で得られ、フィルタの作製工程において各々の結合係数を個々に調整する必要が無くなる。
【００４０】
さらに、帯域通過型マイクロストリップフィルタにおいて、特に導体材料として超伝導材料を用いて構成することにより極めて精度の高いフィルタを作製することができる。例えば、マイクロストリップフィルタを構成するグランド層と信号線をともに超伝導材料で構成することにより、共振器の無負荷Ｑ値として１０万程度のものが得られ、１０段以上の多段で狭帯域フィルタを構成できる。
【００４１】
上記の場合、その超伝導材料として、高温超伝導体を用いるようにしてもよい。高温超伝導体としては、例えばＢｉ系、Ｔｌ系、Ｈｇ系、Ｙ系、Ａｇ系等の銅酸化物超伝導体があり、これらはいずれも使用可能である。高温超伝導体の中には超伝導状態に転移する温度が１００Ｋを超える物質も存在する。このような超伝導体では例えば１気圧下での液体窒素の沸点７７Ｋ程度に冷却するだけで超伝導状態が得られるため、冷凍機の冷却能力を緩和でき、より小型で、かつ、安価な冷凍機が使用可能となる。ここでは、高温超伝導体とは、超伝導体状態に転移する温度が液体窒素の沸点７７Ｋより高い超伝導体をいう。
【００４２】
本実施形態では、結合関数の初期関数ｆ1（ｘ）として電磁界解析シミュレーションにより求めた結合関数ｆs（ｘ）を用い、次候補関数として実験的に求めた値を電磁界解析シミュレーションにより求めた結合関数ｆex（ｘ）でフィッティングした関数を用いた場合を用いて説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、次候補関数として実験値から求めた他の関数を用いた場合でも同様に本発明を適用することができるものである。実験値から求めた他の関数としては、実験値を平滑化した関数、実験値を理論曲線でフィッティングした関数等が考えられる。
【００４３】
ここで、実験的に求めた値を関数ｆs（ｘ）でフィッティングする方法としては、例えば、関数ｆs（ｘ）を１次変換した関数Ａ＋Ｂ・ｆs（ｘ）を用いて、最小二乗法を用いてこの係数Ａ、Ｂを特定するような方法が考えられる。尚、１次変換を用いるだけでなく、２次、３次の変換を用いてもよいし、また逆関数を１次変換して逆関数と最小二乗法でフィッティングを行い、また逆関数に戻すようにすることもできる。
【００４４】
また、本実施形態とは逆に、結合関数の初期関数ｆ1（ｘ）として実験値から求めた関数ｆex（ｘ）を用い、次候補関数として電磁界解析シミュレーションにより求めた結合関数ｆs（ｘ）を用いるようにしてもよい。
【００４５】
なお、本発明は上記実施形態に限定されず、本発明の技術思想の範囲内において、実施形態は適宜変更され得ることは明らかである。
【００４６】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、フィルタの設計方法として、特に帯域通過型マイクロストリップフィルタの設計方法として、試作工程を複数回行い、その各々の試作において、フィルタを構成するマイクロストリップ共振器間の結合係数の調整を、結合係数を共振器間距離の関数とみなして、その結合関数を変化させることにより、より精度の高い結合関数を求め、その結果所望のフィルタ特性を得る共振器間距離を得て、その条件により帯域通過型マイクロストリップフィルタを作製するという基本構成に基づくので、フィルタの量産段階では、個々の製品に対して、それぞれの製品に含まれる個々の共振器結合係数の調整工程を必要とせず、量産に適した効率的なフィルタ、特に帯域通過型マイクロストリップフィルタを設計することができるという効果を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態のフィルタの設計方法における、共振器の形状の設定・初期関数となる結合係数の関数を求める処理の手順を示すフローチャートである。
【図２】本発明の一実施形態のフィルタの設計方法における、結合係数の算出・フィルタの試作・結合関数を変化させて高精度化する処理の手順を示すフローチャートである。
【図３】帯域通過型マイクロストリップフィルタの外観を示す図である。
【図４】従来のフィルタの設計方法の手順を示すフローチャートである。
【符号の説明】
１０１〜１０３    ステップ
２０１〜２０９    ステップ
４０１〜４０６    ステップ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
0003812644.tif 000005