JPH09181502A - 無線周波フィルタ及びその使用方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 無線周波フィルタに関し、その帯域通過型の
周波数応答は、該無線装置の送信周波数及び受信周波数
の間を移動し得るように制御され得るものを提供する。 【解決手段】 かかるフィルタを用いることにより、送
信と受信とが別々の時に行われるならば、同じフィルタ
を送信フィルタ及び受信フィルタの両方として使用する
ことができる。本発明により、フィルタに切り換えスイ
ッチ（５）が設けられ、このスイッチは、該フィルタの
通過帯域が送信周波数であるときには該フィルタを送信
部に接続し、該フィルタの通過帯域が受信周波数である
ときには受信部に接続する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、伝送線共振器に基
づくフィルタにおける周波数応答制御に関する。本発明
のフィルタにおいては、特に周波数軸上での帯域通過フ
ィルタの通過帯域の位置に関して集中的に制御が行われ
る。本発明は、特に複式フィルタ（duplexfilter)に適
用し得るものである。

【０００２】

【従来の技術】伝送線共振器と、それらの間の電磁結合
とに基づく各種フィルタが一般に無線装置に使用されて
いる。絶縁材料を通して電磁場により結合される伝送線
共振器間には、一般に容量性及び誘導性の双方の結合が
生じ、その双方の結果として該共振器により構成される
フィルタに所定の周波数応答特性が生じる。特に前記の
容量性及び誘導性の結合は、両者相まって帯域通過フィ
ルタの周波数応答に伝送ゼロ点（a transmission zer
o)、或いは所定の狭い周波数範囲、を生じさせる原因と
なり、これらフィルタの通過帯域を一方の側で限定する
ことになり、その周波数範囲ではフィルタの減衰は特に
大きくなる。いわゆるλ／４共振器に基づくフィルタに
おいては、即ち共振器の電気的長さが該フィルタの公称
周波数に相当する波長のほぼ１／４であるようなフィル
タにおいては、前記伝送ゼロ点の該フィルタの通過帯域
との関係での位置は共振器間での容量性結合及び誘導性
結合の相互の強さに依存する。もし容量性結合の方が優
勢であるならば、伝送ゼロ点は通過帯域の下にあり、誘
導性結合が優勢であるならば伝送ゼロ点は通過帯域の上
にある。

【０００３】２つの共振器間の結合の強さは、それらの
間の容量性結合及び誘導性結合の複合効果により決ま
る。容量性結合及び誘導性結合の間の位相差は１８０度
であり、このことは、それらが反対の符号を持っている
こと、従って互いに打ち消しあうということを意味す
る。それ故に、帯域通過フィルタにおいて周波数応答の
ゼロ点を通過帯域から適当な距離だけ離すために両方の
結合を充分に大きくすることが可能となるが、該フィル
タの帯域通過特性を実現するためには複合効果はなお充
分に小さい。誘導性結合及び容量性結合の絶対値が等し
ければ、各共振器間の全体としての結合はゼロとなり、
その場合には、それらで帯域通過フィルタを実現するこ
とは不可能となる。

【０００４】従来から知られているように、フィルタ構
造の各寸法を適宜選択することによって誘導性結合及び
容量性結合の強さに影響を及ぼすことが可能である。米
国特許第５、２３９、２７９号（Turunen, Nappa）も、
共振器の付近にストリップ状の領域を形成することによ
って結合に影響を及ぼす方法を開示しており、この領域
は、その位置及び実現方法に依存して、各共振器間の結
合の媒体として作用する電場及び／又は磁場を強めたり
弱めたりする。結合を変化させるための類似の手段が米
国特許第４、７１６、３９１号（Moutrie 等）の特許明
細書にも開示されている。他の公知の制御方法が米国特
許第４、４１０、８６８号（Takeshi Meguro等）及び米
国特許第４、５５９、５０８号（Toshio Nishikawa等）
に開示されている。

【０００５】フィルタを所定の寸法で、場合によっては
結合に影響を及ぼすストリップ素子を機械的に調整する
ことによって微調整を施して製作した後は、少なくとも
簡単な方法では使用中にその周波数応答特性に影響を及
ぼすことはできなくなるという基本的欠点が、上に引用
した従来技術の全てにある。場合によっては、フィルタ
の周波数応答特性、特に伝送ゼロ点又は周波数応答ゼロ
点の位置を外部制御電圧又は電流を用いて変化させ得る
ことが望ましいであろう。

【０００６】フィンランド特許出願第９５３９６２号
（「制御可能な減衰特性を持った帯域通過フィルタ」、
ＬＫ・プロダクツ・オイ（LK-Products Oy））から、共
振器に基づく無線周波数フィルタが公知であり、その周
波数応答は電気的に調整される。この出願では、電気的
に制御可能なスイッチ又は電気的に調整可能なリアクタ
ンス素子が共振器の付近の受動的調整素子と該フィルタ
のグランド電位との間に付加されている。そのスイッチ
又は調整可能なリアクタンス素子は、その調整素子とフ
ィルタのグランドレベルとの間のリアクタンスを変化さ
せるのに役立つ。

【０００７】帯域通過フィルタを用いて複式フィルタを
実現することができる。複式フィルタという用語は、同
じアンテナを介して送信及び受信を異なる周波数で行う
ようになっている無線装置において送信される信号と受
信された信号とを互に分離するフィルタを一般的に意味
する。従来技術の複式フィルタは、送信ポート、受信ポ
ート及びアンテナポートを有する３ポート回路装置であ
る。送信ポートに到来した或る送信周波数の無線信号
は、受信ポートに至る信号経路を高インピーダンスと見
て、その場合には送信周波数の無線電力は受信ポートに
は殆ど届かないで、アンテナポートを通してアンテナに
送られ、そこから無線信号として周囲の環境へ放射され
る。同じく、アンテナ及びアンテナポートを介して到来
した受信周波数の無線信号は、送信ポートの方向を高イ
ンピーダンスと見て受信ポートに向かい、受信ポートを
通って無線装置の受信部に到達する。送信周波数と受信
周波数との差はデュプレックス・インターバル（duplex
interval)と呼ばれる。

【０００８】例えば移動電話などの最新の無線通信装置
においては、フィルタのサイズは決定的に重要な要素で
ある。伝送線共振器を有する或る従来技術の複式フィル
タにおいては、或る数の共振器が（送信ポートとアンテ
ナポートとの間の）送信枝路に必要であり、同じく或る
数の共振器が（アンテナポートと受信ポートとの間の）
受信枝路に必要である。共振器の数は、特に、所要の遮
断減衰に、即ち送信周波数信号が受信枝路に入るのをど
れくらい精密に防止しなければならないかによる。移動
通信装置のサイズを更に小さくするときに出会う問題
は、性能を犠牲にせずにフィルタのサイズをどれだけ小
さくできるかという問題である。

【０００９】図１は従来技術のセラミック複式フィルタ
を示しており、そのフレームブロック１は誘電性のセラ
ミック材料から作られる。その中に４つの共振穴２が形
成されており、その内面に導電性の材料（好ましくは金
属コーティング）がコーティングされている。フレーム
ブロックの見える側に導電性材料のスイッチングパター
ンが形成されており、そのパターンは送信ポートＴＸ、
アンテナポートＡＮＴ、及び受信ポートＲＸから成る。
この図において、ブロック１の薄黒くなっている表面領
域はコーティングが付けられていない部分を示し、白い
領域は導電性コーティングに対応する。右側の２つの共
振器にはストリップ導体パターン３が形成されており、
このパターンは、前記の特許明細書から知られている様
に、共振器同士の電磁結合に影響を及ぼすことにより、
共振器により形成されている送信フィルタの周波数応答
特性に影響を及ぼす。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、非常
に小さな物理的寸法を持っていて複式フィルタとして作
用する無線周波フィルタを提供することである。本発明
の他の目的は、周波数軸上の通過帯域の位置を電気的に
変化させることのできる無線周波フィルタを提供するこ
とである。本発明の他の目的は、信号ポートを２つだけ
有する複式フィルタを提供することである。本発明の更
に他の目的は、制御信号に応じて２つの異なる帯域通過
機能を実現するために伝送線共振器を使用する無線周波
フィルタを提供することである。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明の無線周波フィル
タは、アンテナに結合する第１のポートと、無線装置に
結合する第２のポートと、フィルタ調整素子の電位を変
化させるための第１のスイッチング手段とを有する。こ
の無線周波フィルタは、前記第２のポートと前記無線装
置の送信部及び受信部との間に第２のスイッチング手段
を有し、前記第２のスイッチング手段は、前記第１のス
イッチング手段と同期して動作して前記第２のポートを
前記無線装置の送信部又は受信部に択一的に接続するよ
うになっていることを特徴とする。

【００１２】本発明は、このフィルタを無線装置の送受
信フィルタとして使用する方法にも関連しており、この
フィルタは伝送線共振器から成る。本発明の方法は、前
記伝送線共振器の付近にある導電性素子の電位を変化さ
せることにより前記伝送線共振器同士の間の電磁結合を
変化させるようになっていて、前記電位の変化と同期し
て該フィルタが該無線装置の送信部及び受信部に交互に
切り替えられることを特徴とする。

【００１３】共振器に基づく無線周波フィルタの通過帯
域及びそれぞれの制限伝送ゼロ点を、同じ共振器で構成
されるフィルタが、電気的制御信号に応じて、送受信を
別々の周波数帯域で行う無線装置の送信フィルタ又は受
信フィルタとして動作することができる様に、前記電気
的制御信号で動かすことができる、というアイデアが本
発明の基礎となっている。該制御信号は、共振器の付近
に位置する或る調整素子の電位に影響を及ぼすように設
定される。その或る第１の値では、該フィルタの通過帯
域は送信周波数帯域を含んで広がっていて、伝送ゼロ点
は受信周波数の中にあり、従って送信周波数の信号は該
フィルタを通過するけれども受信周波数は濾波され除去
される。該制御信号の或る第２の値及び同じく該調整素
子の電位では、該フィルタの通過帯域は受信周波数の中
にあり、伝送ゼロ点は送信周波数の中にあるので、受信
周波数の信号のみが該フィルタを通過する。送信フィル
タ及び受信フィルタの双方を実現するために同じ共振器
が使用されるので、無線装置に必要な伝送線共振器の総
数は従来技術の場合より少ない。

【００１４】本発明のフィルタは、２ポートのみを有す
る複式フィルタである。第１のポートはアンテナポート
であって、これは無線装置のアンテナに常時結合されて
いる。第２のポートは、該フィルタが制御信号によって
送信フィルタとして動作するようにセットされるのか、
それとも受信フィルタとして動作するようにセットされ
るのかによって、独立のスイッチング手段により無線装
置の送信部又は受信部に交互に切り替えられる。該スイ
ッチング手段の制御と、該フィルタの特性に影響を及ぼ
す制御信号とは同期して作用する。該スイッチング手段
は、アンテナスイッチとして知られているものに相当す
るものであって、当業者に知られている電気的に制御さ
れる如何なるスイッチであってもよいが、ＰＩＮダイオ
ード又はその組み合わせ、電界効果トランジスタ（ＦＥ
Ｔ）、又はその他の電圧及び／又は電流で制御される半
導体スイッチが好ましい。該調整素子の電位も、該素子
に接続された半導体スイッチにより変更されるのが好ま
しい。半導体スイッチが例えばガリウム砒素（GaAs）で
製造される場合には、該スイッチを高速で信頼の置ける
ものにすることができ、従って該フィルタの周波数応答
を異なる２状態間で非常に高速に切り替えることができ
る。

【００１５】その電位の変化により本発明のフィルタを
送信フィルタから受信フィルタに、またその逆に変化さ
せる調整素子は、或る導電性の装置により構成され、そ
れは共振器の付近に置かれて該共振器同士の電磁結合に
影響を及ぼす。本発明のフィルタがセラミックのブロッ
クに形成された誘電性共振器から成る場合には、該導電
性装置は、好ましくはそのセラミックのフレームブロッ
クの表面に形成されたストリップ導体である。フィルタ
を螺旋共振器技術により実現する場合には、その導電性
装置は、好ましくは螺旋共振器の支持構造として作用す
る低損失回路基板の表面にストリップ導体として形成さ
れる。

【００１６】伝送線共振器同士の容量性結合の強さは、
それらの（電気的に）開いた、接地されていない端で最
大となる。誘導性結合の強さは、該共振器の接地されて
いる端で最大となる。該調整素子は共振器の開放端の近
くに形成されるのが好ましく、その様に形成された場合
には、接地されていないので、容量性結合を強める。こ
の素子を接地すると容量性結合が弱まり、２種の結合同
士の複合効果において誘導性結合が優勢となる。調整素
子とグランド電位との間に接続される電気的に制御可能
なスイッチを用いて接地を行う。

【００１７】次に、添付図面を参照し、好ましい実施例
を取り上げて本発明を詳しく説明する。

【００１８】

【発明の実施の形態】図２に示されている原理による
と、本発明のフィルタ４はアンテナポートＡＮＴ及び無
線装置ポートＴＸ／ＲＸを有する。このフィルタは、制
御信号入力ＣＯＮＴＲＯＬも有し、このポートに到来す
る制御信号により該フィルタ４は送信フィルタ又は受信
フィルタとして動作する。本発明の複式フィルタ（dupl
ex filter)はスイッチ５も含んでおり、このスイッチは
制御信号ＣＯＮＴＲＯＬと同期して該フィルタの無線装
置ポートＴＸ／ＲＸを無線装置の送信部又は受信部に切
り替える。

【００１９】図３は回路図であり、この図において２つ
の伝送線共振器６、７の間に導電性調整素子８があり、
これは共振器６及び７同士の結合に影響を及ぼす。希望
に応じて調整素子８をスイッチ９で接地することができ
る。スイッチ９が閉じているときには、共振器６及び７
の開放端の付近にある調整素子８は実質的にグランド電
位となっていて、共振器同士の容量性の結合を弱める。
この様にして共振器同士の電磁結合は主として誘導性と
なっており、共振器により形成される周波数応答の伝送
ゼロ点は通過帯域の上にある。無線装置の送信周波数が
その受信周波数より低ければ、フィルタは送信フィルタ
となる。スイッチ９を開くと調整素子８の電位はフロー
ティング電位となって共振器６及び７同士の容量性結合
を強め、そして複合効果として共振器同士の結合は主と
して容量性となる。周波数応答の伝送ゼロ点は通過帯域
の下に移動し、通過帯域はデュプレックス・インターバ
ルだけ上に移動し、同じフィルタが受信フィルタとして
作用するようになる。次に、この実施例を技術的に具体
化する方法について詳しく説明する。

【００２０】図４は、２つの伝送線共振器６及び７を有
する１部材（いわゆるモノブロック）から作られた誘電
体フィルタを示す。この様なフィルタの製造方法は当業
者に知られているので、ここでは説明しない。フィルタ
の本体を構成する誘電体ブロック１０は、好ましくはセ
ラミック材料から成り、共振器６及び７は該ブロック中
の円柱状の穴であって、ブロック１０の下面からその上
面（図において頂面）まで延びている。これらの穴を画
定する円筒面には導電性コーティングが付されている。
共振器の穴の接地されていない端を物理的に閉じること
もできる。ブロック１０の側面の殆ども導電性材料でコ
ーティングされており、それは図において白色で示され
ている。図４に示されている前面は全体にわたってコー
ティングされてはおらず、ストリップ状の導電性パター
ン１１、１２及び１３が形成されている。図４に示され
ている上面にはコーティングは付されていない。コーテ
ィングされていないセラミック材料は図において灰色で
示されている。２つの最も幅の広い導電性パターン１１
及び１２はフィルタの入力ポート及び出力ポートを構成
する、即ちこれらのパターンは共振器６及び７に対する
結合インターフェースとなる。第３の導電性パターン１
３は調整素子であって、接地されていないときに共振器
６及び７同士の容量性結合を公知の様に強めるものであ
る。

【００２１】図５に示されている別の実施例も誘電体フ
ィルタであり、このフィルタと図４の実施例との差違
は、このフィルタにおいては前面にも導電性の層（laye
r)がコーティングされていて、導電性パターン１１、１
２及び１３が上面に形成されていて、この上面は前記の
導電性パターンを例外として他の部分にはコーティング
が付されていない、ということだけである。

【００２２】図３、図４及び図５に示されている本発明
の実施例はスイッチ９を有するが、これは図においては
概略が描かれているだけである。当業者は、この様なス
イッチをＰＩＮダイオード、電界効果トランジスタ、或
いはその他の公知の半導体スイッチで容易に実現するこ
とができる。動作時には、問題のスイッチ素子は、例え
ばはんだ付けにより、他の導電性パターン１１、１２及
び１３と同様に誘電体ブロック１０の面上に形成されて
いる結合パッド（図示せず）に接続される。スイッチ９
を開閉する制御信号ＣＯＮＴＲＯＬも、誘電体ブロック
の面上に形成されているストリップライン（図示せず）
により前記スイッチ素子に結合される。

【００２３】スイッチ９は、図３、図４及び図５に示さ
れている位置では開いていて、実質的にはフィルタの動
作に影響を及ぼさない。スイッチ９が閉じられると、ス
イッチ９は調整素子１３をグランド電位に結合し、グラ
ンド電位とされた調整素子１３は共振器６及び７同士の
容量性結合を弱める。従来技術の説明との関係で上記し
た原理に従って、容量性結合の減少が誘導性結合の相対
的割合を高め、その結果として該フィルタの周波数応答
の伝送ゼロ点が周波数軸上で上の方へ移動する。図６は
実際の周波数応答測定結果を定性的に示す図であり、ス
イッチ９が閉じているとき（カーブ１４）及び開いてい
るとき（カーブ１５）に測定した、図３に示されている
実施例のフィルタの周波数応答を示している。図６は、
スイッチ９を閉じると（調整素子１３を接地すると）、
周波数応答を送信帯域ＴＸ′と受信帯域ＲＸ′との中間
に位置する仮想の軸に関して反転させて殆ど鏡像をなす
ように変化させることを示している。カーブ１４により
描写される送信状態では、該フィルタは送信帯域ＴＸ′
については弱い減衰をもたらすだけであるが受信帯域Ｒ
Ｘ′の周波数については強く減衰させる。カーブ１５の
状態では、通過帯域と遮断帯域とは位置を交換してい
る。

【００２４】図３、図４及び図５に略図示されているス
イッチは、フィルタの無線装置ポート１１を無線装置の
送信部及び受信部に交互に切り替えることを目的とする
ものであって、その素子構成はスイッチ９に相当してい
る。このスイッチを、誘電体ブロック１０の面上の接続
パッドに接続させることができ、或いは、フィルタの一
部分である基板の面上に置き、或いは無線装置の回路基
板（図示せず）の面上に置くことができる。これに制御
信号が入力されるが、その信号はスイッチ９に入力され
る信号と同じであるか又は同位相である。制御信号ＣＯ
ＮＴＲＯＬの第１の値で、スイッチ５はフィルタの無線
装置ポート１１を無線装置の送信部（図示せず）に切り
換え、スイッチ９も閉じてフィルタの通過帯域は送信周
波数の中に位置することになる。制御信号の第２の値
で、スイッチ５はフィルタの無線装置ポート１１を無線
装置の受信部（図示せず）に切り換える。このときスイ
ッチ９は開放し、フィルタは受信周波数を通過させ、送
信周波数及びその他の望ましくない周波数を濾波し除去
する。

【００２５】本発明のフィルタでは、好ましくは共振器
を２個だけ有する２ポート・フィルタの周波数応答を通
常の複式フィルタの送信部及び受信部に対応するように
交互にセットすることができる。周波数応答の変化は高
速に且つ容易に起こる。フィルタに切り換えスイッチを
設けることによって非常に小型の複式フィルタを得るこ
とができる。

【００２６】本発明は、誘電体フィルタのみに限定され
るものではなくて、伝送線共振器に基づいていて導電性
調整素子により共振器同士の結合に影響を及ぼすことの
できるあらゆるフィルタ構造に適用し得るものである。
他の実現可能な例示的フィルタ構造は、円筒状コイル導
体に基づく螺旋フィルタであり（その種のものが例えば
フィンランド特許明細書ＦＩ−９０１５７号で公知とな
っている）、この種の螺旋フィルタでは本発明の調整素
子を上記実施例の場合と同様にストリップラインとして
製造することができる。本発明のフィルタは、例えば移
動電話などの小型無線通信装置に有利に使用し得るもの
である。

【図面の簡単な説明】

【図１】従来技術のセラミック製複式フィルタを示す図
である。

【図２】本発明の原理を示す図である。

【図３】本発明の原理を具体化するための１実施例の回
路図である。

【図４】本発明の好ましい１実施例を示す図である。

【図５】本発明の他の好ましい実施例を示す図である。

【図６】図４及び図５の本発明の実施例により得ること
のできる周波数応答特性の定性的なグラフを示す図であ
る。

【符号の説明】

４…フィルタ ５、９…スイッチ ６、７…伝送線共振器 ８、１３…導電性調整素子 ＡＮＴ…アンテナポート ＣＯＮＴＲＯＬ…制御信号入力 ＴＸ／ＲＸ…無線装置ポート

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 無線周波フィルタであって、 互いの間に電磁結合を有するように設けられた第１の伝
   送線共振器（６）及び第２の伝送線共振器（７）と、 該無線周波フィルタとアンテナとの間で信号を伝送する
   第１のポート（ＡＮＴ、１２）と、該無線周波数フィル
   タと無線装置の他の部分との間で信号を伝送する第２の
   ポート（ＴＸ／ＲＸ、１１）と、 該電磁結合に影響を及ぼすための調整素子（８、１３）
   と、 該調整素子（８、１３）と或る固定電位との間にあって
   該調整素子の電位を変化させるための第１のスイッチン
   グ手段（９）とが設けられており、この無線周波フィル
   タは、該第２のポート（ＴＸ／ＲＸ、１１）と前記無線
   装置の送受信部との間に第２のスイッチング手段（５）
   を有し、前記第２のスイッチング手段（５）は、前記第
   １のスイッチング手段（９）と同期して動作して、該第
   ２のポート（ＴＸ／ＲＸ、１１）を前記送信部又は受信
   部に交互に切り換えるように構成されていることを特徴
   とする無線周波フィルタ。
2. 【請求項２】 前記調整素子（８、１３）は、接地され
   ていないとき、前記第１の伝送線共振器（６）及び前記
   第２の伝送線共振器（７）の間の電磁結合を強めるよう
   にされている、請求項１に記載の無線周波フィルタ。
3. 【請求項３】 前記第１のスイッチング手段（９）は前
   記調整素子（８、１３）とグランド電位との間に設けら
   れており、前記第１のスイッチング手段は所定の制御信
   号（ＣＯＮＴＲＯＬ）に応じて前記調整素子（８、１
   ３）をグランド電位に切り換えるようにした、請求項１
   又は２に記載の無線周波フィルタ。
4. 【請求項４】 フレームブロック（１０）を有し、該伝
   送線共振器（６、７）は前記フレームブロックに形成さ
   れた誘電体共振器である、請求項１乃至３のうちのいず
   れか１項に記載の無線周波フィルタ。
5. 【請求項５】 前記調整素子（１３）と、前記スイッチ
   ング手段を接続するための接続パッドとを含むスイッチ
   ングパターン（１１、１２、１３）が前記フレームブロ
   ック（１０）の第１の面に設けられている、請求項４に
   記載の無線周波フィルタ。
6. 【請求項６】 前記伝送線共振器は円筒状コイル導体と
   して実現されている螺旋共振器である、請求項１乃至３
   のうちのいずれか１項に記載の無線周波フィルタ。
7. 【請求項７】 該無線周波フィルタは回路基板を有し、
   この回路基板は前記螺旋共振器を支持し、その表面には
   スイッチングパターンが設けられており、該スイッチン
   グパターンは前記調整素子と前記スイッチング手段を接
   続させるための接続パッドとを含む、請求項６に記載の
   無線周波フィルタ。
8. 【請求項８】 伝送線共振器（６、７）と該伝送線共振
   器同士の電磁結合とを有する無線周波フィルタを無線装
   置の送受信フィルタとして使用する方法であって、該共
   振器の付近に位置する導電性素子（８、１３）の電位を
   変化させることによって該伝送線共振器同士の電磁結合
   を変化させ、該フィルタを前記電位の変化と同期して該
   無線装置の送信部及び受信部に交互に結合させることを
   特徴とする方法。