無線周波数（RF）フィルタとマイクロ波フィルタは、メガヘルツからギガヘルツの周波数範囲（中周波数から超高周波）の信号で動作するように設計された電子フィルタの一種です。電子システムにおいて、特定の周波数を通過または拒否し、マイクロ波およびRF範囲内の不要な信号を減衰させるために使用される部品です。この周波数範囲は、ほとんどの放送ラジオ、テレビ、無線通信（携帯電話、 Wi-Fiなど）で使用される範囲であるため、ほとんどのRFおよびマイクロ波デバイスには、送受信される信号に対する何らかのフィルタリングが組み込まれています。このようなフィルタは、複数の周波数帯域を結合または分離するためのデュプレクサやダイプレクサの構成要素として一般的に使用されています。 [ 1 ]
フィルタ機能
4つの一般的なフィルタ機能が望ましいです。
- バンドパスフィルタ：必要な周波数帯域のみを選択します
- バンドストップフィルタ：不要な周波数帯域を除去する
- ローパスフィルタ：カットオフ周波数以下の周波数のみを通過させる
- ハイパスフィルタ：カットオフ周波数以上の周波数のみを通過させる
フィルタ技術
一般的に、ほとんどのRFフィルタおよびマイクロ波フィルタは、1つまたは複数の結合共振器で構成されているため、共振器の製造に使用できる技術はすべてフィルタの製造にも使用できます。使用されている共振器の無負荷Q値によって、フィルタが達成できる選択度が一般的に決まります。Matthaei、Young、Jonesによる著書[ 2 ]は、RFフィルタおよびマイクロ波フィルタの設計と実現に関する優れた参考資料となっています。一般化されたフィルタ理論は、マイクロ波フィルタ内の結合共振器の 共振周波数と結合係数を用いて機能します
集中定数LCフィルタ
RFおよびマイクロ波フィルタに使用できる最も単純な共振器構造は、並列または直列のインダクタとコンデンサで構成されるLCタンク回路です。これは非常にコンパクトであるという利点がありますが、共振器のQ値が低いため、性能は比較的低くなります
集中定数LCフィルタには、上限周波数と下限周波数の両方があります。周波数が非常に低くなり、kHzからHzの範囲に入ると、タンク回路で使用されるインダクタのサイズが法外に大きくなります。超低周波フィルタは、この問題を克服するために、多くの場合、水晶振動子を用いて設計されます。周波数が600MHz以上の範囲に入ると、タンク回路内のインダクタは実用的ではないほど小さくなります。あるインダクタンスのインダクタの電気リアクタンスは周波数に対して直線的に増加するため、より高い周波数では、同じリアクタンスを実現するために、法外に低いインダクタンスが必要になる場合があります。
平面フィルタ
マイクロストリップ、コプレーナ導波路、ストリップラインなどの平面伝送線路も、優れた共振器やフィルタを作ることができます。マイクロストリップ回路の製造プロセスは、プリント回路基板の製造プロセスと非常に似ており、これらのフィルタはほぼ平面的であるという利点があります
高精度平面フィルタは薄膜プロセスを用いて製造されます。基板に石英やサファイアなどの低誘電正接誘電体材料と、金などの低抵抗金属を使用することで、より高いQ値が得られます。
同軸フィルタ
同軸伝送線路は平面伝送線路よりも高い品質係数を提供するため、より高い性能が求められる場合に使用されます。同軸共振器は、全体のサイズを縮小するために高誘電率材料を使用する場合があります
キャビティフィルタ
40MHzから960MHzの周波数範囲で依然として広く使用されているキャビティフィルタは、適切に構築されていれば、少なくとも1メガワットの電力負荷下でも高い選択性を実現できます。[ 3 ]フィルタキャビティの内部容積を増やすことで、 より高いQ値と、75kHzまでの近接した周波数における性能安定性の向上を実現できます
従来のキャビティ フィルタの物理的な長さは、40 MHz 範囲では 205 cm 以上、900 MHz 範囲では 27.5 cm 未満まで変化します。
マイクロ波範囲 (1000 MHz 以上) では、集中定数共振器やフィルタに比べ て、サイズと品質係数が大幅に高いという点で、キャビティ フィルタの方が実用的になります。
誘電体フィルタ
様々な誘電体材料で作られたパックも共振器の製造に使用できます。同軸共振器と同様に、高誘電率材料を使用することでフィルタの全体的なサイズを縮小できます。低損失誘電体材料を使用することで、これまでに説明した他の技術よりもはるかに高い性能を提供できます
電気音響フィルター
圧電材料をベースとした電気音響共振器は、フィルタとして使用できます。特定の周波数における音響波長は電気波長よりも数桁短いため、電気音響共振器は一般に、空洞共振器などの電磁共振器よりもサイズと重量が小さくなります。
電気音響共振器の一般的な例としては、水晶共振器が挙げられます。これは基本的に、圧電水晶片を一対の電極で挟んだものです。この技術は数十MHz程度までしか利用できません。マイクロ波周波数（一般的に100MHz以上）では、ほとんどのフィルタは表面弾性波（SAW）や薄膜バルク音響共振器（FBAR、TFBAR）などの薄膜技術をベースとした構造を採用しています。
導波管フィルタ
ワッフルアイロンフィルタがその一例です
エネルギートンネルベースのフィルタ
これらは、高度に調整可能なマイクロ波フィルタの新しいクラスです。これらの特殊なフィルタは、導波管、SIW、または低コストのPCB技術で実装でき、適切な位置に挿入されたスイッチの助けを借りて、任意の低周波数または高周波数に調整でき、広い調整範囲を実現します。[ 4 ]
注記
- ^ 「RF / マイクロ波フィルタ、ダイプレクサ、デュプレクサ、スイッチバンクベンダー - RF Cafe」
- ^ Matthaei, George L.; Jones, EL; Young, Leo (1980).マイクロ波フィルタ、インピーダンス整合回路、および結合構造. マサチューセッツ州デダム: Artech House Books. ISBN 0-89006-099-1。
- ^ R Lay (1977年2月15日). 「SバンドメガワットカセグレンダイプレクサーとSバンドメガワット送信フィルターの位相と群遅延」(PDF) .ディープスペースネットワーク進捗報告書(DSN PR 42-37) : 198–203
- ^ Omar, Muhammad; Siddiqui, Omar; Ramzan, Rashad (2017-12-28). 「METベースの新しいチューナブルマイクロ波フィルタ」 – ResearchGate経由。
外部リンク
