JP2015171027A - フィルタ及びそれを用いた共用器、アンテナ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】通過損失を低減したマイクロストリップ構造のフィルタ及びそれを用いた共用器、アンテナ装置を提供する。
【解決手段】誘電体基板２と、誘電体基板２に形成されたストリップ導体からなり、通過する信号のうち特定の周波数帯を減衰させる信号導体３と、を備えた中心基板４と、中心基板４を空気層を介して厚さ方向から挟み込むように配置された２枚のグランド導体５と、を備え、信号導体３は、誘電体基板２の表裏面に形成され、かつ、誘電体基板２の厚さ方向の中心を通る面に対して対称に形成されているものである。
【選択図】図１

Description

本発明は、フィルタ及びそれを用いた共用器、アンテナ装置に関するものである。

従来、誘電体基板の一方の面に、通過する信号のうち特定の周波数帯を減衰させる信号導体を形成し、他方の面にグランド導体を形成したマイクロストリップ構造のフィルタが知られている。

例えば、特許文献１では、スタブで共振器を構成し、信号の入出力部とスタブを入出力線路で接続した構造のフィルタが開示されている。

特開２００６−２５３８７７号公報

しかしながら、従来のマイクロストリップ構造のフィルタでは、安価で誘電正接の値が大きくエネルギー損失の大きい誘電体基板を用いると、通過損失が大きくなってしまうという問題がある。

誘電体基板の誘電正接による損失は、誘電体基板中の電界変動によって生じるが、従来のフィルタでは、構造上、誘電体基板中に電界が集中しており、通過損失が大きくなってしまう。

通過損失を改善する方法として、誘電正接の値が小さい高価な誘電体基板を用いる方法が挙げられるが、この場合、コストが高くなってしまう。

また、通過損失を改善する他の方法として、誘電体基板を用いず信号導体を板金で構成してトリプレート構造とする方法も考えられるが、板金は作成時の寸法精度が十分ではなく、組立後に電気特性の調整を必要とするという問題があった。また、信号導体が分割されている場合には、部品点数が多くなり、コストが高くなってしまうという問題もあった。

そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、通過損失を低減したマイクロストリップ構造のフィルタ及びそれを用いた共用器、アンテナ装置を提供することにある。

本発明は上記目的を達成するために創案されたものであり、誘電体基板と、該誘電体基板に形成されたストリップ導体からなり、通過する信号のうち特定の周波数帯を減衰させる信号導体と、を備えた中心基板と、該中心基板を空気層を介して厚さ方向から挟み込むように配置された２枚のグランド導体と、を備え、前記信号導体は、前記誘電体基板の表裏面に形成され、かつ、前記誘電体基板の厚さ方向の中心を通る面に対して対称に形成されているフィルタである。

前記信号導体の少なくとも一側の前記誘電体基板に、前記信号導体に沿うように穴を形成してもよい。

前記信号導体は、信号を入出力する入出力部と、共振器を構成するスタブと、前記入出力部と前記スタブとを接続する入出力線路と、を有し、少なくとも、前記スタブの先端部に沿うように前記穴を形成してもよい。

前記信号導体は、信号を入出力する入出力部と、共振器を構成するスタブと、前記入出力部と前記スタブとを接続する入出力線路と、を有し、少なくとも、前記入出力線路に沿うように前記穴を形成してもよい。

前記穴は、前記誘電体基板を貫通する貫通孔からなってもよい。

前記誘電体基板の表裏面に形成された前記信号導体を電気的に接続するスルーホールを備えてもよい。

また、本発明は、前記フィルタを備えた共用器である。

また、本発明は、前記フィルタを備えたアンテナ装置である。

複数の前記フィルタを組み合わせた共用器を備えてもよい。

本発明によれば、通過損失を低減したマイクロストリップ構造のフィルタ及びそれを用いたアンテナ装置を提供できる。

本発明の一実施形態に係るフィルタを示す図であり、（ａ）は中心基板の平面図、（ｂ）は線路構造を示す断面図である。 （ａ）は図１のフィルタの通過特性を示すグラフ図であり、（ｂ）はその要部において縦軸を拡大したグラフ図である。 従来例のフィルタを示す図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は線路構造を示す断面図である。 （ａ）は図４の従来例のフィルタの通過特性を示すグラフ図であり、（ｂ）はその要部において縦軸を拡大したグラフ図である。 本発明のフィルタを用いた共用器の一例を示す平面図である。 （ａ）は図５の共用器の各フィルタの通過特性を示すグラフ図であり、（ｂ）はその要部において縦軸を拡大したグラフ図である。 本発明の他の実施形態に係るフィルタを示す図であり、（ａ）は中心基板の平面図、（ｂ）は線路構造を示す断面図である。 （ａ）は図７のフィルタの通過特性を示すグラフ図であり、（ｂ）はその要部において縦軸を拡大したグラフ図である。 図７のフィルタの一変形例を示す中心基板の平面図である。

以下、本発明の実施形態を添付図面にしたがって説明する。

図１は、本実施形態に係るフィルタを示す図であり、（ａ）は中心基板の平面図、（ｂ）は線路構造を示す断面図である。

図１（ａ），（ｂ）に示すように、フィルタ１は、誘電体基板２と誘電体基板２に形成されたストリップ導体からなる信号導体３とを備えた中心基板４と、中心基板４を空気層を介して厚さ方向から挟み込むように配置された２枚のグランド導体５と、を備えている。グランド導体５としては、軽量かつ低コストで耐候性に優れるアルミニウムからなる金属板を用いるとよい。

信号導体３は、通過する信号のうち特定の周波数帯を減衰させるように構成されている。つまり、信号導体３は、特定の周波数帯は大きく減衰してほとんど通過せず、他の特定の周波数帯はほとんど減衰なく通過するように構成されている。ここでは、２ＧＨｚ帯を通過させ１．５ＧＨｚ帯を減衰させるフィルタ１を構成する場合を説明する。

具体的には、信号導体３は、信号を入出力する２つの入出力部７と、共振器を構成する２つのスタブ（オープンスタブ）６と、入出力部７とスタブ６とを接続するストリップ導体である入出力線路８と、を有している。

入出力線路８は、入出力部７に接続された２つの入出力側線路８ａと、入出力側線路８ａに接続され入出力側線路８ａよりも線路幅が広い２つの低インピーダンス線路８ｂと、両低インピーダンス線路８ｂを接続する低インピーダンス線路８ｂよりも線路幅が狭い高インピーダンス線路８ｃと、から構成されている。スタブ６は、低インピーダンス線路８ｂから延出されるように構成されている。なお、入出力線路８を含む信号導体３の構成はこれに限定されるものではなく、減衰させる周波数帯等に応じて適宜変更可能である。

さて、本実施形態に係るフィルタ１では、信号導体３は、誘電体基板２の表裏面に形成され、かつ、誘電体基板２の厚さ方向の中心を通る面に対して略対称に形成されている。

つまり、本実施形態に係るフィルタ１では、平面視で表裏面の信号導体３が略重なり合うように、誘電体基板２の表裏面に略同一のパターンの信号導体３が形成されている。ここでは、中心基板４として、誘電体基板２の両面にストリップ導体を形成可能な両面銅箔基板を用いた。誘電体基板２の表裏面の信号導体３は、コネクタへの接続部分など配線の取り回し上形状が異なってしまう部分を除いて、同じ形状に形成される。

誘電体基板２の表裏面に形成されたストリップ導体を信号導体３として用いることで、誘電体基板２を挟んで２つのインバ−テッドストリップラインを配置したような構造となり、誘電体基板２を通る電界を低減して誘電体基板２の影響を抑制し、誘電体基板２の影響による通過損失を低減することが可能になる。

誘電体基板２の表裏面に形成された信号導体３には、共通の信号が供給される。フィルタ１では、誘電体基板２の表裏面の信号導体３の非対称性を補うように、表裏面の信号導体３を電気的に接続するスルーホール９を形成している。ここでは、両スタブ６の先端部と、入出力線路８の両低インピーダンス線路８ｂにスルーホール９を形成したが、スルーホール９を形成する位置はこれに限定されるものではない。なお、表裏面に形成される信号導体３が完全に対称であれば、表裏面の信号導体３を接続するスルーホール９に電流が流れることはない。

フィルタ１の減衰領域も含めた全体の通過特性を図２（ａ）に示す。また、図２（ａ）における通過域（２ＧＨｚ付近）を拡大した図を図２（ｂ）に示す。なお、ここでは、誘電体基板２としては、比較的低価格であり一般的なガラスエポキシ基板を用い、誘電体基板２の厚さは０．８ｍｍ、比誘電率は４．４、誘電正接は０．０２とした。

図２（ａ）に示すように、フィルタ１では、１．５ＧＨｚ帯は減衰し、２ＧＨｚ帯は通過していることがわかる。図２（ｂ）に示すように、２ＧＨｚでの減衰は０．１６ｄＢであった。

比較のため、従来例として、図３に示すように、誘電体基板３２の表面に信号導体３３を形成し、裏面にグランド導体３４を形成したフィルタ３１を作成し、通過特性を求めた。誘電体基板３２としては、厚さ１．６ｍｍ、比誘電率４．４、誘電正接０．０２のガラスエポキシ基板を用いた。フィルタ３１の減衰領域も含めた全体の通過特性を図４（ａ）に、図４（ａ）における通過域（２ＧＨｚ付近）を拡大した図を図４（ｂ）に示す。

図４（ａ），（ｂ）に示すように、フィルタ３１では、フィルタ１と同様に、１．５ＧＨｚ帯は減衰し、２ＧＨｚ帯は通過しているが、２ＧＨｚでの減衰は０．５８ｄＢと大きかった。

つまり、本実施形態に係るフィルタ１と従来例のフィルタ３１とを比較すると、１．５ＧＨｚ帯の減衰特性はさほど変わらないが、２ＧＨｚ帯の通過損失が大きく改善されている。

これは、従来例のフィルタ３１では、電界の集中する信号導体３３とグランド導体３４との間に誘電正接の大きい誘電体基板３２が存在しており、この誘電体基板３２の影響により通過損失が大きくなっていると考えられる。本実施形態に係るフィルタ１では、信号導体３と対向するグランド導体５との間には空気層が存在するのみであり、空気層は誘電正接が小さいため、電界が集中しても大きな損失とはならず、通過特性が良好となっている。

本実施形態に係る共用器は、本実施形態に係るフィルタ１を備えたものである。共用器は、通過特性の異なる複数のフィルタを組み合わせて構成されるが、複数のフィルタのうち少なくとも１つが本実施形態に係るフィルタ１であればよい。

また、本実施形態に係るアンテナ装置は、本実施形態に係るフィルタ１を備えたものである。複数のフィルタ１を組み合わせた共用器を搭載するようにアンテナ装置を構成してもよい。本実施形態に係るアンテナ装置は、例えば、移動通信用の基地局アンテナとして用いられるものである。

一例として、図５に、２ＧＨｚ帯を通過させ１．５ＧＨｚ帯を減衰させるフィルタ５２と、１．５ＧＨｚ帯を通過させ２ＧＨｚ帯を減衰させるフィルタ５３を組み合わせた共用器５１を示す。また、共用器５１における各フィルタ５２，５３の通過特性を図６（ａ），（ｂ）に示す。なお、図５では誘電体基板２の表面側のみを示しているが、図示していない誘電体基板２の裏面側にも同じパターンの信号導体３が形成されている。

図６（ａ），（ｂ）に示すように、フィルタ５２（１．５ＧＨｚフィルタ）における２ＧＨｚ帯の通過損失、フィルタ５３（２ＧＨｚフィルタ）における１．５ＧＨｚ帯の通過損失は、ともに０．２ｄＢ以下と良好であることがわかる。

以上説明したように、本実施形態に係るフィルタ１では、信号導体３を、誘電体基板２の表裏面に形成し、かつ、誘電体基板２の厚さ方向の中心を通る面に対して対称に形成している。

このように構成することで、誘電体基板２を通過する電界を低減させ、誘電体基板２の影響による通過損失を改善することが可能になる。その結果、安価な誘電体基板２を使用することが可能となり、コストの削減が可能になる。また、信号導体３を板金で形成した場合と比較して精度よく信号導体３を形成できるため、組立後の調整等が不用となり、作業時間の短縮が可能になる。さらに、フィルタ１では、信号導体３を板金で形成した場合のように、信号導体３が分割されている場合に部品点数が多くなるような事はないので、組立が容易であり、製造コストも削減可能である。

次に、本発明の他の実施形態を説明する。

図７のフィルタ７１は、図１のフィルタ１において、さらに、信号導体３の少なくとも一側の誘電体基板２に、信号導体３に沿うように穴（スリット、長穴）７２を形成したものである。

穴７２を形成することで、誘電体基板２を通過する電界をさらに少なくして誘電体基板２の影響をより抑制し、誘電体基板２の影響による通過損失を低減することが可能になる。信号導体３の一側のみに穴７２を形成した場合でも効果は得られるが、電界のバランスを維持するためにも信号導体３の両側に穴７２を形成することが望ましい。

本実施形態では、穴７２を、誘電体基板２を貫通する貫通孔で構成している。なお、穴７２は、誘電体基板２を貫通しないものであってもよいが、誘電体基板２が薄い場合には貫通させないで残した誘電体基板２の影響が出てしまい、また加工も困難となることから、穴７２は貫通孔とすることが望ましい。

フィルタ７１では、信号導体３の電界分布が強くなる部位に沿うように穴７２を形成することで、より効果的に通過損失を低減することが可能である。フィルタ７１では、特に、スタブ６の開放端である先端部、および、通過電力の大きい入出力線路８で電界分布が強くなるため、少なくとも、スタブ６の先端部に沿うように穴７２を形成すると共に、入出力線路８に沿うように穴７２を形成することが望ましい。

穴７２を連続して形成すると、信号導体３を形成した部分の誘電体基板２が浮いたような状態となり振動等が発生することも考えられる。そのため、穴７２は、信号導体３に沿って所定の間隔で形成されており、信号導体３直下の誘電体基板２とその周囲の誘電体基板２とが、隣接する穴７２間に残された誘電体基板２である切片７３により接続された構造となっている。穴７２の間隔（切片７３の長さ）や穴７２の長さ（切片７３の間隔）については、配線レイアウト等を考慮して適宜に設定すればよく、また、穴７２の間隔（切片７３の長さ）や穴７２の長さ（切片７３の間隔）は一定でなくともよい。

信号導体３と穴７２間の距離、すなわち、信号導体３から側方にはみ出している誘電体基板２のはみ出し量は、できるだけ小さくすることが望ましく、加工時に信号導体３にかかってしまわないよう穴開け加工の精度を考慮して設定するとよい。ここでは、信号導体３と穴７２間の距離を０．５ｍｍとした。

また、穴７２の幅は、大きいほど損失低減の効果が大きくなるが、穴７２の幅を大きくしすぎるとフィルタ７１全体が大型化してしまうため、フィルタ７１の大きさ等を考慮して設定するとよい。ここでは、穴７２の幅を３ｍｍとした。

フィルタ７１の通過特性を図８（ａ），（ｂ）に示す。

図８（ａ），（ｂ）に示すように、２ＧＨｚでの通過損失は０．１０ｄＢとなり、図１のフィルタ１と比較して、さらに２ＧＨｚ帯の通過損失が改善されていることがわかる。

なお、フィルタ７１では穴７２を矩形状（長方形状）としたが、穴７２の形状は特に限定されるものではなく、例えば、図９に示すフィルタ９１のように、円形状の穴９２を形成するようにしてもよい。

本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々の変更を加え得ることは勿論である。

例えば、上記実施形態では、中心基板４として両面銅箔基板を用いたが、これに限らず、中心基板４として多層基板を用い、その表裏面に信号導体３を形成するようにしてもよい。

また、上記実施形態では、中心基板４とグランド導体５との間を空気層としたが、中心基板４とグランド導体５との間に低誘電損失材料を介在させてもよい。

１ フィルタ
２ 誘電体基板
３ 信号導体
４ 中心基板
５ グランド導体
６ スタブ
７ 入出力部
８ 入出力線路
９ スルーホール

Claims (9)

1. 誘電体基板と、該誘電体基板に形成されたストリップ導体からなり、通過する信号のうち特定の周波数帯を減衰させる信号導体と、を備えた中心基板と、
   該中心基板を空気層を介して厚さ方向から挟み込むように配置された２枚のグランド導体と、を備え、
   前記信号導体は、前記誘電体基板の表裏面に形成され、かつ、前記誘電体基板の厚さ方向の中心を通る面に対して対称に形成されている
   ことを特徴とするフィルタ。
2. 前記信号導体の少なくとも一側の前記誘電体基板に、前記信号導体に沿うように穴を形成した
   請求項１記載のフィルタ。
3. 前記信号導体は、信号を入出力する入出力部と、共振器を構成するスタブと、前記入出力部と前記スタブとを接続する入出力線路と、を有し、
   少なくとも、前記スタブの先端部に沿うように前記穴を形成した
   請求項２記載のフィルタ。
4. 前記信号導体は、信号を入出力する入出力部と、共振器を構成するスタブと、前記入出力部と前記スタブとを接続する入出力線路と、を有し、
   少なくとも、前記入出力線路に沿うように前記穴を形成した
   請求項２または３記載のフィルタ。
5. 前記穴は、前記誘電体基板を貫通する貫通孔からなる
   請求項２〜４いずれかに記載のフィルタ。
6. 前記誘電体基板の表裏面に形成された前記信号導体を電気的に接続するスルーホールを備えた
   請求項１〜５いずれかに記載のフィルタ。
7. 請求項１〜６いずれかに記載のフィルタを備えたことを特徴とする共用器。
8. 請求項１〜６いずれかに記載のフィルタを備えたことを特徴とするアンテナ装置。
9. 複数の前記フィルタを組み合わせた共用器を備えた
   請求項８記載のアンテナ装置。