S-NAP Microwave Suite Application Report 41

小形誘電体共振器を使用した単一ﾁｬﾝﾈﾙ帯域減衰ﾌｨﾙﾀ BEF の設計法およびｼｬｰﾌﾟな周波数選択性能を実現する方法

Nov. 26, 2006
Mr. Endo

1. 序文「通信と放送の融合化」、「放送･通信のﾃﾞｼﾞﾀﾙ化」等の技術潮流や、市場ﾆｰｽﾞ増大に伴って各周波数帯における電波需要･電波密度が急速に増大し、隣接する電波間干渉の低減･解消や、EMC 等の低減[D/U 向上]の必要性が急速に高まっている。そこで、今回の SNAP ｱﾌﾟ
ﾘｹｰｼｮﾝ･ﾚﾎﾟｰﾄは、High Q の小形誘電体共振器を使用して、隣接する妨害波を一定ﾚﾍﾞﾙ減衰させる、周波数選択特性の優れた単一ﾁｬﾝﾈﾙ BEF [Band Elimination Filter]の設計法ならびに特性の最適調整方法につて説明する。
２．概要①先ず、誘電体共振器の機能･特長と、その等価回路についてﾎﾟｲﾝﾄを簡潔に解説する。
②次に、誘電体共振器とﾄﾘﾏｺﾝﾃﾞﾝｻを組み合せた、ｼｬｰﾌﾟな減衰特性を有するﾄﾗｯﾌﾟ回路の構成と等価回路について説明する。
③さらに、このﾄﾗｯﾌﾟ回路を入力側／出力側に各々備え、その間を適切に接続する段間接続回路を備えた基本 BEF 回路の動作機能と最適調整方法を段階的に説明する。その過程に於いて、基本回路の構成と代表的性能を SNAP ｼﾐｭﾚｰｼｮﾝ解析で簡潔に解説する。
④最後に、基本 BEF を２段縦列接続した高選択度 BEF の構成と調整要領を解説し、具体的回路構成および代表的特性を SNAP ｼﾐｭﾚｰｼｮﾝ解析によって示す。

1３．小形誘電体共振器の機能と特長[1]誘電体共振器には、主に円柱形状(図１)のものと、角柱形状(図２)の 2 種類があり、夫々の特性ｲﾝﾋﾟｰﾀﾞﾝｽ ZD は(201)、(202)式で表せる。

[2] 誘電体共振器(図 3)は、自己共振角周波数ω0 近傍において、並列共振回路形式の等価回路(図 4)で表すことができ、その回路定数は(101)～(104)式で与えられる。

４．基本 BEF の回路構成と等価回路表示[1]単一所定ﾁｬﾝﾈﾙを所定ﾚﾍﾞﾙ減衰［10dB－20dB］させる高選択特性の基本 BEF の回路構成を(図 5)に示す。基本 BEF は入出力端に直結した夫々のﾄﾗｯﾌﾟ回路１(共振周波数：fL)、ﾄﾗｯﾌﾟ回路 2(共振周波数：fH)を有し、両ﾄﾗｯﾌﾟ回路は 2 次側並列共振回路(共振周波数：fS)を形成するﾄﾗﾝｽを使用した結合回路で構成される。

2［2］誘電体共振器とﾄﾘﾏｺﾝﾃﾞﾝｻなどで構成されるﾄﾗｯﾌﾟ回路は、HighQ を有する直列共振回路の等価回路(図 6)で表すことができる。
［3］その結果として、基本 BEF
は夫々のﾄﾗｯﾌﾟ回路の等価回路である直列共振回路(共振周波数：fLおよび fH)と、入出力を結合する並列共振回路(共振周波数：fS)で構成される(図 7)の等価回路で表示することができる。

５．基本 BEF の回路構成と特性解析結果(1)中心周波数 f0＝569MHz、帯域幅 Bw＝6MHz の U29ch［TV］信号を所定量減衰させる
基本 BEF の回路構成を（図 8）に示す。自己共振周波数 f＝600MHz の 6mm 角柱誘電体共振器を使用して、共振周波数ｆL のﾄﾗｯﾌﾟ回路１および共振周波数ｆH のﾄﾗｯﾌﾟ回路２を形成すると共に、入出力を接続する結合回路には、ｲﾝﾀﾞｸﾀﾝｽ L＝10nH の１次ｺｲﾙ、２次ｺｲﾙを有するﾄﾗﾝｽにｺﾝﾃﾞﾝｻを接続して、共振周波数 fs＝fo の並列共振を適用し、BEF を構成する。

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(2)この BEF を、周波数 539MHz－599MHz にわたって S ﾊﾟﾗﾒｰﾀ解析
すると、（図 9）に示す高い周波数選択性能を得ることができる。U29chの対象ﾁｬﾝﾈﾙ［水色帯域］及び上下の隣接ﾁｬﾝﾈﾙ［緑色帯域］をｸﾞﾗﾌ上に重ねて表示しているが、隣接 chに大きな影響を与えずに、対象 chの TV 信号を 15dB ほど減衰させることができる。
(3)本 BEF の調整方法について、試作検証にて判明した要点を（図 10）に示す。
①谷の深さ H 及び谷の急峻度合い［全体形状］は結合容量 Cc の大きさによって定まり、Cc を小さく［Cc≦0.8pF］すると谷が深く鋭くなる。②)谷の位置（周波数軸上）は本質的に共振器の自己共振周波数fs と結合容量 Cc で定まるが、谷位置の微調はﾄﾘﾏｺﾝﾃﾞﾝｻ Cx、Cy で調整する。③谷
壁の傾斜［急峻度合い］と谷の壁の深さは、それを受け持つﾄﾗｯﾌﾟ回路 1、2 のﾄﾘﾏｺﾝﾃﾞ
ﾝｻ Cx、Cy の Q1、Q3 によって決まる。④谷の中央部（凸部）を結合回路の共振周波数 fsに合わせて押し潰して谷底を平坦にすることが出来、中央部の谷底は、Cz の Q 値：Q2 で調整できる。⑤ﾄﾗﾝｽの共振条件においては、L≒10nH～20nH のときに良好な形状になり、谷全体の深さ H をその結合係数 K で調整［後述］することができる。⑥ﾄﾘﾏｺﾝﾃﾞﾝｻに直列に入る結合容量 Cd は、ﾄﾘﾏｺﾝﾃﾞﾝｻ Cx が低域側谷角の周波数ｆL で最大値に収まるように選ぶ。

4⑦誘電体共振器の急峻な周波数特性［Qu に従う］に、ﾄﾘﾏｺﾝﾃﾞﾝｻ Cx/Cy/Cz の急峻さ［夫々の Q 値（Q1/Q2/Q3 に従う）]を相乗平均した特性が得られ、鋭い周波数選択特性を形成する。
(4)Trap 回路 1 と Trap 回路 2 を接続する「結合回路」を構成する、ﾄﾗﾝｽの 1 次ｺｲﾙ／2 次ｺｲﾙの結合係数 K［両ｺｲﾙの間隙を変える］を変化させると、（図 11）に示すように BEF の減衰量を変化させることができ、これによって BEF 減衰量を最適値に選定できる。
６．基本 BEF を組合せた複合 BEF の構成と優れた周波数選択性能
6.1 基本 BEF を 2 段接続した複合 BEF の性能
基本 BEF を 2 段に縦列接し、各部定数を最適化すると（図 12）に示すような理想的な単一ﾁｬﾝﾈﾙ BEF、即ち隣接 ch の TV 信号に殆ど減衰を与えずに、所定 ch ［ こ の 例 で はU29ch］をｼｬｰﾌﾟに切出し て 適 切 に 減 衰［14dB］させる BEFを実現することができる。各部の定数［ﾄﾘﾏ容量／Q 値］を如何様に調整すれば、この箱型減衰特性が得られるか、詳細をｸﾞﾗﾌに重ねて詳説している。

56.2 基本 BEF に平坦化回路を組合せた複合 BEF とその選択性能

基本 BEF に、２つのﾄﾗｯﾌﾟ回路を 1/4 波長ﾄﾗﾝｽで結合した「通過帯域平坦化回路」を組合せた、複合 BEF の回路構成と周波数選択性能を（図 13）に示す。単一 ch をｼｬｰﾌﾟに切出す優れた選択性能が得られ、且つﾄﾗﾝｽの結合係数 K を K＝0.15－0.35 の範囲で変化させることにより、切出した TV 信号を約 15dB－30dB の範囲で任意に減衰できることが分かる。
さらに、各部の定数を如何様に選定すれば、このような優れた周波数選択性を達成できるか、ｸﾞﾗﾌに重ね書きしている。
７．纏めおよび考察(1)小型で High Q の誘電体共振器を使用してﾄﾗｯﾌﾟ回路を形成し、それらを適正な結合回路で接続することにより、優れた周波数選択性能を有する小形 BEF を、ﾌﾚｷｼﾌﾞﾙに実現できることが判った。
(2)この誘電体共振器の電気特性を記述するﾏｸﾛやｼﾝﾎﾞﾙを作成［既報にて紹介済みのため割愛］し、それを用いて前述の BEF 回路を SNAP ｴﾃﾞｨﾀで作成･編集する。それらの BEF を
SNAP の S ﾊﾟﾗﾒｰﾀ解析を活用して、詳細に調査･解析する［ﾁｭｰﾆﾝｸﾞ機能で各部回路定数を最適化、ﾘﾋﾟｰﾄ機能を利用して結合係数 K と BEF 減衰量の関係をﾋﾞｼﾞｭｱﾙに表現］ことによ6

って、優れた選択性能を有する BEF をｽﾋﾟｰﾃﾞｨにかつ効率良く設計できることを示した。
(3)実際に SNAP を活用した BEF を幾つか試作評価してみると、高精度且つ高品質［部留り良好］な実用性に優れた各種ﾌｨﾙﾀを、SNAP により効率的に開発できることを確認･検証できた。
－以上－

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