(58)【調査した分野】(Int.Cl.,DB名)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
特許文献1では、中空導波管に調整ねじが差し込まれた共振器が開示されている。特許文献1は、中空導波管への調整ねじの差し込み深さを変えることにより共振周波数を調整でき、製造のばらつきを補正することができることを開示している。
しかしながら、特許文献1が開示するような中空導波管を用いる場合、共振器が大きくて重いため扱いづらいことがある。
【0006】
特許文献2や非特許文献1に開示されるように、SIWを用いれば中空導波管よりも小さくて軽い共振器を実現できる。
特許文献2では、共振器を形成するビアホールの周囲にスロットを形成することで、誘電体基板の一面上の導体層と電気的に分離したパッドが形成されることが開示される。そして、このパッドと導体層とをボンディングワイヤなどで接続することでフィルタ特性を調整することが開示されている。
しかしながら、特許文献2に記載の技術では、具体的に共振周波数をどのように変化可能であるかについて開示されておらず、高い調整精度が求められる場合に対応できないおそれがある。
【0007】
また、非特許文献1では、導波路を形成するスルーホールの他に、導波路中に導体が充填された貫通孔が設けられた構成が開示されている。この技術では、誘電体基体の上面におけるこの貫通孔の開口を囲むように導体層が除去されており、該上面において導体層とこの貫通孔中の導体とは電磁波の伝搬方向に対して所定の角度で電気的に接続される。非特許文献1は、導体層と貫通孔中の導体とのこの接続角度を調整することで共振周波数を調整することを開示する。
しかしながら、非特許文献1に記載の技術では、接続角度の変化に対して共振周波数の変化が大きいため、共振周波数の微調整ができないおそれがある。
【0008】
また、特許文献2、非特許文献1に開示されるようなSIWを用いる場合、導波路が誘電体で構成されるため、例えば特許文献1のように共振器の製造後に共振器に金属棒を差し込んだり、その深さを調整したりすることは困難である。
【0009】
本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであって、SIWを用い、製造後に共振周波数の微調整が可能なバンドパスフィルタを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0010】
本発明の一態様に係るバンドパスフィルタは、第1面及び前記第1面に対向する第2面を有し、誘電体材料で形成される基板と、前記第1面を覆い、開口を有して形成された第1導体層と、前記第2面を覆う第2導体層と、前記第1面から前記第2面に向かって前記基板を貫通し、前記第1導体層および前記第2導体層と電気的に接続された複数の導体柱で形成され、平面視において前記開口を囲むように配置されたポスト壁と、を備え、前記第1導体層は、前記開口を囲む主部と、前記開口内に前記主部から隔てられて形成された内側導体部と、前記主部と前記内側導体部とを電気的に接続する接続部とを有し、前記主部、前記内側導体部及び前記接続部によって区画されたスロットを有する。
【0011】
前記バンドパスフィルタは、前記開口が円形状とされ、前記内側導体部が円形状とされ、前記スロットがC形状とされていることが好ましい。
【0012】
前記内側導体部の基端から先端までの距離は、平面視における前記ポスト壁の中央と、前記中央から最も近い前記導体柱の中心との距離に対して2%〜100%の範囲にあることが好ましい。
【0013】
前記スロットの最小幅は10μm〜200μmであることが好ましい。
【0014】
前記バンドパスフィルタは、平面視において前記ポスト壁で囲まれた空間の中央部に、前記スロットが配置されないことが好ましい。
【0015】
前記バンドパスフィルタは、平面視において前記ポスト壁で囲まれた空間において、前記スロットが、高周波信号の伝搬方向の中央部に配置されることが好ましい。
【0016】
前記バンドパスフィルタは、前記第1導体層及び前記スロットを覆う誘電体層をさらに有していてもよい。
【0017】
本発明の他の態様に係る多段バンドパスフィルタは、前記バンドパスフィルタを複数並列して構成される。
【発明の効果】
【0018】
本発明の上記態様によれば、SIWを用い、製造後に共振周波数の微調整が可能なバンドパスフィルタを提供することができる。
【発明を実施するための形態】
【0020】
以下、好適な実施形態に基づき、図面を参照して本発明を説明する。なお、以下に示す実施形態は、発明の趣旨をより良く理解させるために、例を挙げて説明するものであり、特に指定のない限り、本発明を限定しない。また、以下の説明に用いる図面は、本発明の特徴を分かりやすくするために、便宜上、要部となる部分を拡大している場合があり、各構成要素の寸法比率などが実際と同じであるとは限らない。また、本発明の特徴を分かりやすくするために、便宜上、省略した部分がある。
【0021】
[第1実施形態]
本発明の第1実施形態に係るバンドパスフィルタ1の構成について、
図1〜
図3を用いて説明する。
図1は、本発明の第1実施形態に係るバンドパスフィルタ1の構成を模式的に示した斜視図である。
図2の(a)はバンドパスフィルタ1の構成を模式的に示した上面図であり、
図2の(b)は
図2(a)のA−A線に沿う断面図である。
図3は、バンドパスフィルタ1のスロット6の上面図である。なお、
図2においては、ポスト壁の構成について
図1よりも簡略的に示している。
【0022】
以下の説明において、
図1に示すように、X方向は、平面視において矩形状(例えば長方形状)である基板2の長さ方向である。Y方向は、基板2に沿う面内でX方向に直交する方向であり、基板2の幅方向である。Z方向は、X方向およびY方向と直交する方向であり、基板2の厚さ方向である。Z方向は上下方向である。平面視とはZ方向から見ることをいう。X方向とY方向とによって形成される平面をXY平面という。
【0023】
図1及び
図2に示されるように、バンドパスフィルタ1は、基板2と、導体層3、4と、ポスト壁5とで構成される。
【0024】
基板2は、例えば、単一の誘電体材料で形成されている。誘電体材料としては、高周波信号を低損失で伝搬できる石英ガラス、ガラスクロスなどの低誘電率、低誘電正接樹脂、及び低温同時焼成セラミックス(LTCC)であることが好ましい。基板2の大きさ及び厚さは、伝搬する高周波信号の特性に応じて適宜選択すればよい。Eバンド(71〜86GHz)の高周波信号に用いる場合は例えば400μmの厚さの基板を用いることが挙げられる。
【0025】
図2に示されるように、基板2は、平面視において矩形状(例えば長方形状)である。基板2は、上面(第1面)2aと下面(第2面)2bを有する。基板2には、基板2の上面2aから下面2bに向かって基板2を貫通する複数の貫通孔51が形成される。貫通孔51は、例えば、XY平面に沿う断面が略円形状である。貫通孔51には、ポスト壁5を構成する導体柱52が形成される。
貫通孔51はマスクを用いたエッチング法などにより形成することができる。貫通孔51の開口径としては例えば作製のしやすさの観点から50〜200μmが挙げられる。
【0026】
導体層3、4は、例えば、銅などの金属からなる薄膜で形成される。
導体層3(第1導体層)は、基板2の上面2aに、開口10を有して形成されている。導体層3は、スロット6(後述)を除いて、基板2の上面2aの全面を覆う。
導体層3は、主部11と、内側導体部12と、接続部13とを備えている。
主部11は、開口10を囲んで形成された領域である。開口10は平面視において円形状に形成されている。主部11は、開口10の外側の領域であり、開口10の内周縁から基板2の上面2aの外周縁に至る領域である。
【0027】
図3に示すように、内側導体部12は、平面視において開口10の内側に形成されている。内側導体部12は、平面視において円形状とされている。内側導体部12の外径は開口10の内径より小さい。そのため、内側導体部12は、スロット6により主部11から隔てられている。内側導体部12は、開口10と同心の円形状であることが好ましい。
12aは内側導体部12の基端(X方向の一方の端)である。12bは内側導体部12の先端(X方向の他方の端、すなわち基端12aとは反対の端)である。
【0028】
開口10の内径と、内側導体部12の外径との差d(径差d)は、スロット6の幅に相当する。径差dは、10μm〜200μmであることが好ましい。径差dが10μm以上であることによって、スロット6を精度よく形成することができる。径差dが200μm以下であることによって、高周波信号の放射を抑制できる。径差dは、開口10の内径と内側導体部12の外径との差の最小値であってよい。径差dは、内側導体部12の先端12bと開口10の内縁とのX方向の距離であってよい。
【0029】
接続部13は、主部11と内側導体部12とを電気的に接続する。接続部13は、主部11および内側導体部12の周方向の1箇所において、主部11および内側導体部12の径方向であるX方向に沿って形成されている。接続部13は、例えば一定の幅(Y方向の寸法)を有する帯状とされる。接続部13の主部11側の端を基端13aという。接続部13は、基端13aから内側導体部12に向かってX方向に延出し、内側導体部12の基端12aに達している。
接続部13の幅は、例えば導体柱52(
図2(a)参照)の直径程度かそれよりも小さくてよい。
接続部13は、主部11および内側導体部12を形成して、必要な共振周波数の調整量を見積もった後で形成してもよい。接続部13は、導体層3と同時に形成されてもよい。
【0030】
内側導体部12の基端12aから内側導体部12の先端12bまでの距離r1は、平面視におけるポスト壁5の寸法L1(
図2(a)参照。後述)に対して1%〜50%の範囲にあることが好ましい。距離r1がポスト壁5の寸法L1の1%以上であることによって、共振周波数の調整を有効に行うことができる。距離r1がポスト壁5の寸法L1の50%以下であることによって、共振周波数の変動幅を抑制し、微調整が可能となる。距離r1は、内側導体部12の外径に等しい。
【0031】
距離r1との比較対象をポスト壁5の寸法L1ではなく、
図2(a)に示す寸法L2としてもよい。寸法L2は、平面視においてポスト壁5の中央C1と、中央C1から最も近い導体柱52の中心との距離である。よって、前述の距離r1の好ましい範囲「寸法L1に対して1%〜50%」は、「寸法L2に対して2%〜100%」と言い換えることができる。
距離r1がポスト壁5の寸法L2の2%以上であることによって、共振周波数の調整を有効に行うことができる。距離r1がポスト壁5の寸法L2の100%以下であることによって、共振周波数の変動幅を抑制し、微調整が可能となる。
なお、ポスト壁5の中央C1は、例えば平面視におけるポスト壁5の重心(例えば矩形状のポスト壁5の対角線の交点)である。
【0032】
スロット6は、主部11と内側導体部12とによって区画された円環が接続部13によって分断された形状(C形状)とされている。スロット6は、例えば主部11および内側導体部12の周方向に一定の幅を有する。スロット6の幅は、開口10と内側導体部12の径差dである。よって、スロット6の幅(例えば最小幅)は、前述の範囲(10μm〜200μm)にあることが好ましい。
【0033】
接続部13は、平面視において、主部11と内側導体部12とを、高周波信号の伝搬方向(X方向)に垂直な方向に対して所定の角度θとなる位置で部分的に接続する。角度θとは、平面視において内側導体部12の中心から、高周波信号の伝搬方向(X方向)に垂直な方向のうち基板2の中央とは反対の方向に向かう線と、接続部13の基端13aの中央部に向かう線との角度である。
【0034】
バンドパスフィルタ1では、角度θを変化させることで共振周波数を調整することができる。
角度θを変化させた際の共振周波数の変化は、基板の貫通孔にビア導体を形成した場合の共振周波数のばらつきよりも小さくなる。そのため、バンドパスフィルタ1を用いれば、誘電体導波路(SIW)を製造した後であっても接続部13の位置を調整することで共振周波数の微調整が可能になる。よって、目標精度が高い場合にも対応できるバンドパスフィルタを提供することができる。
【0035】
バンドパスフィルタでは、共振器の大きさと共振器との結合量が重要である。スロット6が後述する開口部7と近いと結合量が変化してしまうため、影響を小さくするためには、スロット6は、それぞれの開口部7から離れた位置が好ましい。よって、スロット6は、平面視においてポスト壁5で囲まれた領域において高周波信号の伝搬方向(X方向)の中央部に位置することが好ましい。
【0036】
伝搬方向(X方向)に対して垂直な方向(Y方向)については、中央付近は電界強度が強いため、スロット6は、中央部よりポスト壁5に近い位置に配置されることが好ましい。これによって、電界の悪影響を抑制できる。
【0037】
導体層4(第2導体層)は、基板2の下面2bの全面を覆う。なお、共振器として機能すれば、導体層3及び導体層4は各々上面2aおよび下面2bの全面を覆っていなくてもよい。
導体層3、4が銅薄膜である場合、その厚さは1μm〜40μmであることが好ましい。導体層3、4の厚さが1μm以上であると損失を抑制でき、40μm以下であると、導体層3、4の形成が容易となる。導体層3、4は、例えば銅めっき法などにより形成することができる。
【0038】
図2(a)に示すように、ポスト壁5は、複数の導体柱52で構成され、一対の第1壁部5aと一対の第2壁部5bとを有する。導体柱52は、その両端部において導体層3、4と電気的に接続される。第1壁部5aでは、平面視で基板2の向かい合う2辺に平行に複数の導体柱52が並列される。第1壁部5aは基板2の向かい合う2辺に近い位置にそれぞれ形成される。第2壁部5bでは、第1壁部5aの導体柱52が並ぶ方向に垂直な方向に複数の導体柱52が並列される。また一対の第2壁部5bは互いに所定の間隔を空けて配置される。
【0039】
複数の導体柱52は、第1及び第2壁部5a、5bにおいて、誘電体導波路(SIW)中を伝搬する高周波信号が外部に漏洩しない間隔で配列されている。ただし、第2壁部5bには、所定波長の高周波信号が通過できる開口部7が導体柱52の並列方向の中央部に形成されるように配列されている。つまり、バンドパスフィルタ1では、第1壁部5aの導体柱52が並列する方向が高周波信号の伝搬方向となる。この伝搬方向はX方向と一致する。
ポスト壁5は、平面視においてスロット6を囲んで形成されている。
なお、開口部7は導体柱52の並列方向の中央部に形成されていなくてもよく、一方の第1壁部5aに寄った位置に形成されていてもよい。
【0040】
ポスト壁5を構成する導体柱52は銅めっき法により形成することができ、導体層3、4と同時に形成されてもよい。また導体柱52において、導体が貫通孔51の全内面を覆っていれば、貫通孔51の内部に完全に充填されていなくともよい。導体は貫通孔51の内部に完全に充填されていてもよい。
【0041】
ポスト壁5の寸法L1は、例えば、平面視において第1壁部5aと第2壁部5bとがなす矩形状の構造について、第1壁部5aにおける導体柱52の並列方向(X方向)の寸法と、第2壁部5bにおける導体柱52の並列方向(Y方向)の寸法のいずれかである。ここでは、寸法L1は、前記矩形状の構造において第1壁部5aと第2壁部5bのうち短い方である、第2壁部5bの寸法である。寸法L1は、平面視において並列方向の両端に位置する2つの導体柱52の中心どうしの距離である。
【0042】
バンドパスフィルタ1では、前述のように、接続部13と内側導体部12の距離r1、および接続部13の角度θを変化させることで、誘電体導波路(SIW)を製造した後であっても、共振周波数を微調整することができる。
【0043】
(第1の変形例)
図4は、バンドパスフィルタ1の第1の変形例であるバンドパスフィルタ1Aのスロット6Aの上面図である。なお、以降の説明において、すでに説明した構成と共通する構成については、同一の符号を付して説明を省略する。
図4に示すように、バンドパスフィルタ1Aでは、内側導体部12Aは接続部13と同じ幅(Y方向の寸法)を有し、X方向に延在している。
【0044】
接続部13の基端13aから内側導体部12Aの先端までの距離r2は、ポスト壁5の寸法L1(
図2(a)参照)に対して1%〜50%、または寸法L2に対して2%〜100%とするのが好ましい。距離r2がポスト壁5の寸法L1の1%以上(または寸法L2の2%以上)であることによって、共振周波数の調整を有効に行うことができる。距離r2がポスト壁5の寸法L1の50%以下(または寸法L2の100%以下)であることによって、共振周波数の変動幅を抑制し、微調整が可能となる。バンドパスフィルタ1Aは、内側導体部12Aの形状以外はバンドパスフィルタ1(
図3参照)と同様としてよい。
バンドパスフィルタ1Aでは、バンドパスフィルタ1(
図3参照)と同様に、接続部13の角度θを変化させることで、共振周波数を微調整することができる。
【0045】
(第2の変形例)
図5は、バンドパスフィルタ1の第2の変形例であるバンドパスフィルタ1Bのスロット6Bの上面図である。
図5に示すように、バンドパスフィルタ1Bでは、内側導体部12Bは、接続部13に比べて広い幅(Y方向の寸法)を有する矩形状(例えば長方形状)である。内側導体部12Bは、長辺方向をX方向に向けて形成されている。バンドパスフィルタ1Bは、内側導体部12Bの形状以外はバンドパスフィルタ1(
図3参照)と同様としてよい。
バンドパスフィルタ1Bでも、距離r2、および接続部13の角度θを変化させることで、共振周波数を微調整することができる。
【0046】
(第3の変形例)
図6は、バンドパスフィルタ1の第3の変形例であるバンドパスフィルタ1Cのスロット6Cの上面図である。
図6に示すように、バンドパスフィルタ1Cでは、開口10Cは矩形状(例えば長方形状)である。バンドパスフィルタ1Cは、開口10Cの形状以外はバンドパスフィルタ1A(
図4参照)と同様としてよい。
バンドパスフィルタ1Cでも、距離r2、および接続部13の角度θを変化させることで、共振周波数を微調整することができる。
【0047】
(第4の変形例)
図7は、バンドパスフィルタ1の第4の変形例であるバンドパスフィルタ1Dのスロット6Dの上面図である。
図7に示すように、バンドパスフィルタ1Dでは、接続部13Dが金属配線部(ワイヤ)によって形成されている。接続部13Dは、平面視においてX方向に沿って形成されている。接続部13Dの基端13Daは主部11に接続され、先端13Dbは内側導体部12に接続されている。バンドパスフィルタ1Dは、接続部13に代えて接続部13Dが設けられていること以外はバンドパスフィルタ1(
図3参照)と同様としてよい。
バンドパスフィルタ1Dでも、距離r1、および接続部13の角度θを変化させることで、共振周波数を微調整することができる。
【0048】
(第5の変形例)
図8は、バンドパスフィルタ1の第5の変形例であるバンドパスフィルタ101の断面図である。
図8に示すように、バンドパスフィルタ101では、スロット6及び導体層3が誘電体層8で覆われている。誘電体層8は、導体層9によって覆われている。
誘電体層8の材料としては、塗布性、誘電率などの観点から、例えばポリイミドが挙げられる。導体層9は銅めっき法により形成することができる。その他の構成は、第1実施形態のバンドパスフィルタ1と同様としてよい。
なお、バンドパスフィルタは、誘電体層を覆う導体層がない構成も可能である。
【0049】
[第2実施形態]
本発明の第2実施形態に係る多段バンドパスフィルタ201の構成について、
図9を用いて説明する。なお、第1実施形態と共通する構成については、同一の符号を付して説明を省略する。
【0050】
図9は、バンドパスフィルタ201の斜視図である。
図9に示すように、多段バンドパスフィルタ201は、第1実施形態に係るバンドパスフィルタ1が3つ並列して構成される。多段バンドパスフィルタ201では、各バンドパスフィルタ1の一対の第1壁部5aはそれぞれ同一直線状に設けられる。また隣り合うバンドパスフィルタ1の第2壁部5bは共有される。
【0051】
多段バンドパスフィルタ201では、複数のバンドパスフィルタ1を並列して構成することにより、1段だけのバンドパスフィルタよりもフィルタ特性を向上することができる。
【0052】
なお、
図9ではバンドパスフィルタ1が3つ並列しているがこれに限定されない。2つ並列されていてもよいし、4つ以上並列されていてもよい。また、
図9ではバンドパスフィルタ1が一方向に並列するが限定されない。例えば第1壁部5aに開口部を設けて、バンドパスフィルタ1が2方向に配列されるように構成してもよい。
図9では、各バンドパスフィルタ1の開口部7の幅は一定であるが、これに限定されない。要求される共振周波数に応じて開口部7の幅が異なっていてもよい。さらに、
図9では、高周波信号の伝搬方向(X方向)における第2壁部5bの間隔も一定であるが、これに限定されない。要求される共振周波数に応じて第2壁部5bの間隔がそれぞれ異なっていてもよい。
【0053】
また、上述の第1、第2実施形態では、基板2にバンドパスフィルタを構成する要素のみが形成されているが、これに限定されない。例えばバンドパスフィルタに高周波信号を伝搬可能な平面回路及び導体ピンが同じ基板2に形成されていてもよい。
【実施例】
【0054】
以下、実施例を用いて本発明を具体的に説明する。なお、本発明は、この実施例のみに限定されるものではない。
【0055】
実施例のバンドパスフィルタの構成としては、
図1〜
図3に示すバンドパスフィルタ1の構成を用いた。基板には厚さ400μmの石英ガラス基板を採用し、各実施例において、角度θおよび距離r1以外は一定としてシミュレーションを行い、共振周波数の変化を比較した。
径差dは50μmとした。角度θは0°、90°、180°、270°の4条件とした。距離r1は100μm、150μm、200μmの3条件とした。結果を表1に示す。
【0056】
【表1】
【0057】
表1より、角度θおよび距離r1の設定により、共振周波数を調整できることがわかる。
【0058】
以上、本発明のバンドパスフィルタ及び多段バンドパスフィルタについて説明してきたが、本発明は前記の例に限定されるものではなく、発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。
導体層の開口および内側導体部の平面視形状は、円形状、矩形状に限らない。導体層の開口および内側導体部の平面視形状は、例えば楕円形状であってもよいし、矩形状以外の多角形状(三角形状、五角形状、六角形状など)であってもよい。
平面視におけるポスト壁の形状は、矩形状に限らない。ポスト壁の平面視形状は、例えば矩形状以外の多角形状(三角形状、五角形状、六角形状など)でもよいし、円形状、楕円形状等であってもよい。
接続部は、主部および内側導体部と一体的に形成されていてもよいし、主部および内側導体部とは別体であってもよい。