JP2008098702A - 反射型バンドパスフィルター - Google Patents

Abstract

【課題】外部の影響を受け難く、且つＦＣＣの規格を満たすことができる高性能なＵＷＢ用反射型バンドパスフィルターの提供。
【解決手段】誘電体層とその表裏両面に積層された導体層とを有する基板と、前記誘電体層内に設けられたストリップ線路となる中心導体とを有する超広帯域無線情報通信用の反射型バンドパスフィルターであって、前記中心導体は、幅の長手方向分布が不均一になっていることを特徴とする反射型バンドパスフィルター。
【選択図】図１

Description

本発明は、超広帯域（Ultra Wide Band：ＵＷＢ）無線情報通信用（以下、ＵＷＢ用と記す。）の反射型バンドパスフィルターに関するものである。このＵＷＢ用反射型バンドパスフィルターを使用することにより、米国連邦通信委員会（ＦＣＣ）が定めたスペクトルマスクを満足させることができる。

本発明に係る従来技術としては、例えば特許文献１〜９に開示された技術が知られている。
米国特許第２４１１５５５号明細書 特開昭５６−６４５０１号公報 特開平９−１７２３１８号公報 特開平９−２３２８２０号公報 特開平１０−６５４０２号公報 特開平１０−２４２７４６号公報 特開２０００−４１０８号公報 特開２０００−１０１３０１号公報 特開２００２−４３８１０号公報 Y. Konishi, "Microwave intergrated circuits," pp. 9-11, Marcel Dekker, 1991.

しかし、前述した従来技術で提案されているバンドパスフィルターは、製造誤差などでＦＣＣの規定を満たさなくなるおそれがある。
また、従来のフィルターのうち、マイクロストリップ線路が露出したオープンな構造を有するものは、外部の影響を受けやすくなる問題がある。

本発明は、前記事情に鑑みてなされ、外部の影響を受け難く、且つＦＣＣの規格を満たすことができる高性能なＵＷＢ用反射型バンドパスフィルターの提供を目的とする。

前記目的を達成するため、本発明は、誘電体層とその表裏両面に積層された導体層とを有する基板と、前記誘電体層内に設けられたストリップ線路となる中心導体とを有する超広帯域無線情報通信用の反射型バンドパスフィルターであって、前記中心導体は、幅の長手方向分布が不均一になっていることを特徴とする反射型バンドパスフィルターを提供する。

本発明の反射型バンドパスフィルターにおいて、周波数ｆがｆ＜３．１ＧＨｚとｆ＞１０．６ＧＨｚの領域での反射率と、３．７ＧＨｚ≦ｆ≦１０．０ＧＨｚの領域での反射率との差の絶対値が１０ｄＢ以上であり、３．７ＧＨｚ≦ｆ≦１０．０ＧＨｚの領域で群遅延の変動が±０．０５ｎｓ以内であることが好ましい。

本発明の反射型バンドパスフィルターにおいて、周波数ｆがｆ＜３．１ＧＨｚとｆ＞１０．６ＧＨｚの領域での反射率と、３．９ＧＨｚ≦ｆ≦９．８ＧＨｚの領域での反射率との差の絶対値が１０ｄＢ以上であり、３．９ＧＨｚ≦ｆ≦９．８ＧＨｚの領域で群遅延の変動が±０．０７ｎｓ以内であることが好ましい。

本発明の反射型バンドパスフィルターにおいて、周波数ｆがｆ＜３．１ＧＨｚとｆ＞１０．６ＧＨｚの領域での反射率と、４．４ＧＨｚ≦ｆ≦９．２ＧＨｚの領域での反射率との差の絶対値が１０ｄＢ以上であり、４．４ＧＨｚ≦ｆ≦９．２ＧＨｚの領域で群遅延の変動が±０．０５ｎｓ以内であることが好ましい。

本発明の反射型バンドパスフィルターにおいて、周波数ｆがｆ＜３．１ＧＨｚとｆ＞１０．６ＧＨｚの領域での反射率と、３．８ＧＨｚ≦ｆ≦９．８ＧＨｚの領域での反射率との差の絶対値が１０ｄＢ以上であり、３．８ＧＨｚ≦ｆ≦９．８ＧＨｚの領域で群遅延の変動が±０．２ｎｓ以内であることが好ましい。

本発明の反射型バンドパスフィルターにおいて、周波数ｆがｆ＜３．１ＧＨｚとｆ＞１０．６ＧＨｚの領域での反射率と、３．７ＧＨｚ≦ｆ≦１０．０ＧＨｚの領域での反射率との差の絶対値が１０ｄＢ以上であり、３．７ＧＨｚ≦ｆ≦１０．０ＧＨｚの領域で群遅延の変動が±０．１ｎｓ以内であることが好ましい。

本発明の反射型バンドパスフィルターにおいて、入力端伝送線路の特性インピーダンスＺｃが１０Ω≦Ｚｃ≦３００Ωであることが好ましい。

本発明の反射型バンドパスフィルターにおいて、終端で前記特性インピーダンスと同じ値をもつ抵抗あるいは無反射終端で終端されたことが好ましい。

本発明の反射型バンドパスフィルターにおいて、中心導体及び基板の導体層が、ｆ＝１ＧＨｚ時のスキンデップス以上の厚さの金属板からなることが好ましい。

本発明の反射型バンドパスフィルターにおいて、誘電体層は、厚さｈが０．１ｍｍ≦ｈ≦１０ｍｍ、比誘電率ε_ｒが１≦ε_ｒ≦１００、幅Ｗが２ｍｍ≦Ｗ≦１００ｍｍ、長さＬが２ｍｍ≦Ｌ≦５００ｍｍであることが好ましい。

本発明の反射型バンドパスフィルターにおいて、Ｚａｋｈａｒｏｖ−Ｓｈａｂａｔ方程式における、スペクトルデータからポテンシャルを導く逆問題に基づく設計法を用いて中心導体幅の長手方向分布が設定されたことが好ましい。

本発明の反射型バンドパスフィルターにおいて、窓関数法を用いて中心導体幅の長手方向分布が設定されたことが好ましい。

本発明の反射型バンドパスフィルターにおいて、Ｋａｉｓｅｒ窓関数法を用いて中心導体幅の長手方向分布が設定されたことが好ましい。

本発明の反射型バンドパスフィルターは、窓関数の手法を応用し、不均一マイクロストリップ線路で構成された反射型バンドパスフィルターを設計することにより、従来のフィルターと比べると、帯域が非常に広く、透過帯域内の群遅延の変動が非常に小さくすることができるので、ＦＣＣが規定するＵＷＢ用フィルターを実現できる。
また、両方の面に導体を積層した誘電体層の内部に中心導体を設けた構成としたので、外部の影響を受け難くなり、安定したフィルター特性を得ることができる。

以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。
図１は、本発明の反射型バンドパスフィルターの概略構成を示す斜視図である。図中符号１は反射型バンドパスフィルター、２は基板、３は誘電体層、４及び５は導体層、６は中心導体である。

本実施形態の反射型バンドパスフィルター１は、誘電体層３とその表裏両面に積層された導体層４，５とを有する基板２と、前記誘電体層３内に設けられたストリップ線路となる中心導体６とを有してなり、中心導体６は、幅の長手方向分布が不均一になっていることを特徴としている。

この反射型バンドパスフィルター１は、遮蔽した２導体線路の構造になっており、外部に露出して形成されたマイクロストリップ線路に比べると、外部からの影響を受け難くなっている。

このストリップ線路は、中心導体幅ｗを変えると、特性インピーダンスを変えることができる（非特許文献１参照）。例えば、図２はｈ＝２ｍｍ、ε_ｒ＝１とした場合、特性インピーダンスの中心導体幅ｗの依存性を表す。

本発明では、中心導体幅ｗを変えて、逆問題で得られる局所特性インピーダンスを構成し、バンドパスフィルターを実現する。
以下、本発明に係る実施例に基づいて、本発明を更に詳細に説明する。以下に記す各実施例は、あくまでも本発明の例示に過ぎず、本発明はこれらの実施例の記載にのみ限定されるものではない。

周波数ｆが３．４ＧＨｚ≦ｆ≦１０．３ＧＨｚの領域で反射率が１、その他の領域で０とし、Ａ＝３０としたＫａｉｓｅｒ窓を使用した。また、導波路長が１ＧＨｚ時１波長とし、システムの特性インピーダンスが５０Ωとして、設計を行った。図３は逆問題で得られた局所特性インピーダンスの分布を表す。

図４は厚さｈ＝２ｍｍ、比誘電率ε_ｒ＝４．２の基板を使用した場合の中心導体幅ｗの分布を示す。表１〜３はその寸法のリストを示す。

図５は、本実施例で作製した反射型バンドパスフィルターにおける中心導体の形状を表す。図中、黒色部分が中心導体を表す。この反射型バンドパスフィルターの終端（位置が１４６．３９ｍｍの端面）以降に無反射終端、あるいはＲ＝５０Ωの抵抗で終端されている。また、導体部分の金属膜はｆ＝１ＧＨｚでスキンデップスδｓ＝√２／（ｗμ_０σ）より十分厚いものとする。ここで、ｗ、μ_０、σはそれぞれ角周波数、真空中の陶磁率、金属の導電率を表す。たとえば、銅を使用した場合、厚さが２．１μｍ以上とする。また、このフィルターは特性インピーダンスが５０Ωのシステムで使用するものとする。

図６と７はそれぞれデバイス反射波（Ｓ_１１）の振幅特性と群遅延特性を表す。図示のように、周波数ｆが３．７ＧＨｚ≦ｆ≦１０．０ＧＨｚの帯域では、反射率は−１ｄＢ以上であり、群遅延の変動は±０．０５ｎｓ以内である。ｆ＜３．１ＧＨｚあるいはｆ＞１０．６ＧＨｚの領域では、反射率は−１７ｄＢ以下である。

周波数ｆが３．４ＧＨｚ≦ｆ≦１０．３ＧＨｚの領域で反射率が１、その他の領域で０とし、Ａ＝３０としたＫａｉｓｅｒ窓を使用した。また、導波路長が１ＧＨｚ時０．５波長とし、システムの特性インピーダンスが５０Ωとして、設計を行った。図８は逆問題で得られた局所特性インピーダンスの分布を表す。

図９は厚さｈ＝３ｍｍ、比誘電率ε_ｒ＝２の基板を使用とした場合の中心導体幅ｗの分布を示す。表４〜６はその寸法リストを示す。

図１０は、本実施例で作製した反射型バンドパスフィルターにおける中心導体の形状を表す。図中、黒色部分が中心導体を表す。この反射型バンドパスフィルターの終端（位置が１０６．０７ｍｍの端面）以降に無反射終端、あるいはＲ＝５０Ωの抵抗で終端されている。また、導体部分の金属膜はｆ＝１ＧＨｚでスキンデップスより十分厚いものとする。たとえば、銅を使用した場合、厚さが２．１μｍ以上とする。また、このフィルターは特性インピーダンスが５０Ωのシステムで使用するものとする。

図１１と１２はそれぞれデバイス反射波（Ｓ_１１）の振幅特性と群遅延特性を表す。図示のように、周波数ｆが３．９ＧＨｚ≦ｆ≦９．８ＧＨｚの帯域では、反射率は−１ｄＢ以上であり、群遅延の変動は±０．０７ｎｓ以内である。ｆ＜３．１ＧＨｚあるいはｆ＞１０．６ＧＨｚの領域では、反射率は−１５ｄＢ以下である。

周波数ｆが４．０ＧＨｚ≦ｆ≦９．６ＧＨｚの領域で反射率が０．９、その他の領域で０とし、Ａ＝３０としたＫａｉｓｅｒ窓を使用した。また、導波路長が１ＧＨｚ時０．３波長とし、システムの特性インピーダンスが５０Ωとして、設計を行った。図１３は逆問題で得られた局所特性インピーダンスの分布を表す。

図１４は厚さｈ＝２ｍｍ、比誘電率ε_ｒ＝４．２の基板を使用した場合の中心導体幅ｗの分布を表す。表７〜８はその寸法リストを示す。

図１５は、本実施例で作製した反射型バンドパスフィルターにおける中心導体の形状を表す。図中、黒色部分が中心導体を表す。この反射型バンドパスフィルターの終端（位置が４３．９２ｍｍの端面）以降に無反射終端、あるいはＲ＝５０Ωの抵抗で終端されている。また、導体部分の金属膜はｆ＝１ＧＨｚでスキンデップスより十分厚いものとする。たとえば、銅を使用した場合、厚さが２．１μｍ以上とする。また、このフィルターは特性インピーダンスが５０Ωのシステムで使用するものとする。

図１６と１７はそれぞれデバイス反射波（Ｓ_１１）の振幅特性と群遅延特性を表す。図示のように、周波数ｆが４．４ＧＨｚ≦ｆ≦９．２ＧＨｚの帯域では、反射率は−５ｄＢ以上であり、群遅延の変動は±０．０５ｎｓ以内である。ｆ＜３．１ＧＨｚあるいはｆ＞１０．６ＧＨｚの領域では、反射率は−２０ｄＢ以下である。

周波数ｆが３．６ＧＨｚ≦ｆ≦１０．０ＧＨｚの領域で反射率が１、その他の領域で０とし、Ａ＝３５としたＫａｉｓｅｒ窓を使用した。また、導波路長が１ＧＨｚ時０．８波長とし、システムの特性インピーダンスが２５Ωとして、設計を行った。図１８は逆問題で得られた局所特性インピーダンスの分布を表す。

図１９は厚さｈ＝２ｍｍ、比誘電率ε_ｒ＝６．３５の基板を使用した場合の中心導体幅ｗの分布を示す。表９〜１１はその寸法リストを示す。

図２０は、本実施例で作製した反射型バンドパスフィルターにおける中心導体の形状を表す。図中、黒色部分が中心導体を表す。この反射型バンドパスフィルターの終端（位置が９５．２４ｍｍの端面）以降に無反射終端、あるいはＲ＝２５Ωの抵抗で終端されている。また、導体部分の金属膜はｆ＝１ＧＨｚでスキンデップスより十分厚いものとする。たとえば、銅を使用した場合、厚さが２．１μｍ以上とする。また、このフィルターは特性インピーダンスが５０Ωのシステムで使用するものとする。

図２１と２２はそれぞれデバイス反射波（Ｓ_１１）の振幅特性と群遅延特性を表す。図示のように、周波数ｆが３．８ＧＨｚ≦ｆ≦９．８ＧＨｚの帯域では、反射率は−３ｄＢ以上であり、群遅延の変動は±０．２ｎｓ以内である。ｆ＜３．１ＧＨｚあるいはｆ＞１０．６ＧＨｚの領域では、反射率は−１７ｄＢ以下である。

周波数ｆが３．４ＧＨｚ≦ｆ≦１０．３ＧＨｚの領域で反射率が１、その他の領域で０とし、Ａ＝３０としたＫａｉｓｅｒ窓を使用した。また、導波路長が１ＧＨｚ時０．７波長とし、システムの特性インピーダンスが７５Ωとして、設計を行った。図２３は逆問題で得られた局所特性インピーダンスの分布を表す。

図２４は厚さｈ＝３ｍｍ、比誘電率ε_ｒ＝１の基板を使用した場合の中心導体幅ｗの分布を示す。表１２〜１４はその寸法リストを示す。

図２５は、本実施例で作製した反射型バンドパスフィルターにおける中心導体の形状を表す。図中、黒色部分が中心導体を表す。この反射型バンドパスフィルターの終端（位置が２１０ｍｍの端面）以降に無反射終端、あるいはＲ＝７５Ωの抵抗で終端されている。また、導体部分の金属膜はｆ＝１ＧＨｚでスキンデップスより十分厚いものとする。たとえば、銅を使用した場合、厚さが２．１μｍ以上とする。また、このフィルターは特性インピーダンスが７５Ωのシステムで使用するものとする。

図２６と２７はそれぞれデバイス反射波（Ｓ_１１）の振幅特性と群遅延特性を表す。図示のように、周波数ｆが３．７ＧＨｚ≦ｆ≦１０．０ＧＨｚの帯域では、反射率は−２ｄＢ以上であり、群遅延の変動は±０．１ｎｓ以内である。ｆ＜３．１ＧＨｚあるいはｆ＞１０．６ＧＨｚの領域では、反射率は−１５ｄＢ以下である。

本発明の反射型バンドパスフィルターの一実施形態を示す斜視図である。 本発明の反射型バンドパスフィルターにおける特性インピーダンスの中心導体幅依存性を示すグラフである。 実施例１で作製した反射型バンドパスフィルターの特性インピーダンスの分布を示すグラフである。 実施例１で作製した反射型バンドパスフィルターにおける中心導体幅分布を示すグラフである。 実施例１で作製した反射型バンドパスフィルターにおける中心導体の形状を示すグラフである。 実施例１で作製した反射型バンドパスフィルターにおける反射波の振幅特性を示すグラフである。 実施例１で作製した反射型バンドパスフィルターにおける反射波の群遅延特性を示すグラフである。 実施例２で作製した反射型バンドパスフィルターの特性インピーダンスの分布を示すグラフである。 実施例２で作製した反射型バンドパスフィルターにおける中心導体幅分布を示すグラフである。 実施例２で作製した反射型バンドパスフィルターにおける中心導体の形状を示すグラフである。 実施例２で作製した反射型バンドパスフィルターにおける反射波の振幅特性を示すグラフである。 実施例２で作製した反射型バンドパスフィルターにおける反射波の群遅延特性を示すグラフである。 実施例３で作製した反射型バンドパスフィルターの特性インピーダンスの分布を示すグラフである。 実施例３で作製した反射型バンドパスフィルターにおける中心導体幅分布を示すグラフである。 実施例３で作製した反射型バンドパスフィルターにおける中心導体の形状を示すグラフである。 実施例３で作製した反射型バンドパスフィルターにおける反射波の振幅特性を示すグラフである。 実施例３で作製した反射型バンドパスフィルターにおける反射波の群遅延特性を示すグラフである。 実施例４で作製した反射型バンドパスフィルターの特性インピーダンスの分布を示すグラフである。 実施例４で作製した反射型バンドパスフィルターにおける中心導体幅分布を示すグラフである。 実施例４で作製した反射型バンドパスフィルターにおける中心導体の形状を示すグラフである。 実施例４で作製した反射型バンドパスフィルターにおける反射波の振幅特性を示すグラフである。 実施例４で作製した反射型バンドパスフィルターにおける反射波の群遅延特性を示すグラフである。 実施例５で作製した反射型バンドパスフィルターの特性インピーダンスの分布を示すグラフである。 実施例５で作製した反射型バンドパスフィルターにおける中心導体幅分布を示すグラフである。 実施例５で作製した反射型バンドパスフィルターにおける中心導体の形状を示すグラフである。 実施例５で作製した反射型バンドパスフィルターにおける反射波の振幅特性を示すグラフである。 実施例５で作製した反射型バンドパスフィルターにおける反射波の群遅延特性を示すグラフである。

符号の説明

１…反射型バンドパスフィルター、２…基板、３…誘電体層、４，５…導体層、６…中心導体。

Claims (13)

1. 誘電体層とその表裏両面に積層された導体層とを有する基板と、前記誘電体層内に設けられたストリップ線路となる中心導体とを有する超広帯域無線情報通信用の反射型バンドパスフィルターであって、
   前記中心導体は、幅の長手方向分布が不均一になっていることを特徴とする反射型バンドパスフィルター。
2. 周波数ｆがｆ＜３．１ＧＨｚとｆ＞１０．６ＧＨｚの領域での反射率と、３．７ＧＨｚ≦ｆ≦１０．０ＧＨｚの領域での反射率との差の絶対値が１０ｄＢ以上であり、３．７ＧＨｚ≦ｆ≦１０．０ＧＨｚの領域で群遅延の変動が±０．０５ｎｓ以内であることを特徴とする請求項１に記載の反射型バンドパスフィルター。
3. 周波数ｆがｆ＜３．１ＧＨｚとｆ＞１０．６ＧＨｚの領域での反射率と、３．９ＧＨｚ≦ｆ≦９．８ＧＨｚの領域での反射率との差の絶対値が１０ｄＢ以上であり、３．９ＧＨｚ≦ｆ≦９．８ＧＨｚの領域で群遅延の変動が±０．０７ｎｓ以内であることを特徴とする請求項１に記載の反射型バンドパスフィルター。
4. 周波数ｆがｆ＜３．１ＧＨｚとｆ＞１０．６ＧＨｚの領域での反射率と、４．４ＧＨｚ≦ｆ≦９．２ＧＨｚの領域での反射率との差の絶対値が１０ｄＢ以上であり、４．４ＧＨｚ≦ｆ≦９．２ＧＨｚの領域で群遅延の変動が±０．０５ｎｓ以内であることを特徴とする請求項１に記載の反射型バンドパスフィルター。
5. 周波数ｆがｆ＜３．１ＧＨｚとｆ＞１０．６ＧＨｚの領域での反射率と、３．８ＧＨｚ≦ｆ≦９．８ＧＨｚの領域での反射率との差の絶対値が１０ｄＢ以上であり、３．８ＧＨｚ≦ｆ≦９．８ＧＨｚの領域で群遅延の変動が±０．２ｎｓ以内であることを特徴とする請求項１に記載の反射型バンドパスフィルター。
6. 周波数ｆがｆ＜３．１ＧＨｚとｆ＞１０．６ＧＨｚの領域での反射率と、３．７ＧＨｚ≦ｆ≦１０．０ＧＨｚの領域での反射率との差の絶対値が１０ｄＢ以上であり、３．７ＧＨｚ≦ｆ≦１０．０ＧＨｚの領域で群遅延の変動が±０．１ｎｓ以内であることを特徴とする請求項１に記載の反射型バンドパスフィルター。
7. 入力端伝送線路の特性インピーダンスＺｃが１０Ω≦Ｚｃ≦３００Ωであることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の反射型バンドパスフィルター。
8. 終端で前記特性インピーダンスと同じ値をもつ抵抗あるいは無反射終端で終端されたことを特徴とする請求項７に記載の反射型バンドパスフィルター。
9. 中心導体及び基板の導体層が、ｆ＝１ＧＨｚ時のスキンデップス以上の厚さの金属板からなることを特徴とする請求項１〜８のいずれかに記載の反射型バンドパスフィルター。
10. 誘電体層は、厚さｈが０．１ｍｍ≦ｈ≦１０ｍｍ、比誘電率ε_ｒが１≦ε_ｒ≦１００、幅Ｗが２ｍｍ≦Ｗ≦１００ｍｍ、長さＬが２ｍｍ≦Ｌ≦５００ｍｍであることを特徴とする請求項１〜９のいずれかに記載の反射型バンドパスフィルター。
11. Ｚａｋｈａｒｏｖ−Ｓｈａｂａｔ方程式における、スペクトルデータからポテンシャルを導く逆問題に基づく設計法を用いて中心導体幅の長手方向分布が設定されたことを特徴とする請求項１〜１０のいずれかに記載の反射型バンドパスフィルター。
12. 窓関数法を用いて中心導体幅の長手方向分布が設定されたことを特徴とする請求項１〜１０のいずれかに記載の反射型バンドパスフィルター。
13. Ｋａｉｓｅｒ窓関数法を用いて中心導体幅の長手方向分布が設定されたことを特徴とする請求項１〜１０のいずれかに記載の反射型バンドパスフィルター。

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