RFおよびマイクロ波フィルター

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。電子システムで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コンポーネントです。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含まれます。このようなフィルタは、複数の周波数帯域を組み合わせたり分離したり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ます。 ^[1]

望ましい一般的なフィルタ関数は次の 4 つです。

• バンドパスフィルタ: 必要な周波数帯域のみを選択する
• 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

一般に、RF フィルターやマイクロ波フィルターのほとんどは、1 つ以上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フィルター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品質係数によって、フィルターが達成できる選択性が一般的に決まります。Matthaei、Young、Jones の著書^[2]は、RF フィルターやマイクロ波フィルターの設計と実現に関する優れた参考資料です。一般化されたフィルター理論は、マイクロ波フィルター内の結合共振器の 共振周波数と結合係数に基づいて機能します。

RF およびマイクロ波フィルターで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。これらは非常にコンパクトであるという利点がありますが、共振器の品質係数が低いため、パフォーマンスは比較的低くなります。

集中素子 LC フィルタには、上限と下限の両方の周波数範囲があります。周波数が非常に低くなり、kHz から Hz の範囲になると、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。非常に低い周波数のフィルタは、この問題を克服するために水晶を使用して設計されることがよくあります。周波数が高くなり、600 MHz 以上の範囲になると、タンク回路のインダクタは実用的でないほど小さくなります。特定の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。

マイクロストリップ、共平面導波路、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成できます。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使用して製造されます。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、 ^[要出典]、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。

40MHz～960MHzの周波数範囲で現在でも広く使用されているキャビティフィルタは、1メガワット以上の電力負荷下でも高い選択性を発揮します。^{[3]フィルタキャビティの内部容積を増やすことで、} Q 値を 高め、近接した周波数（75kHzまで）でのパフォーマンスの安定性を高めることができます。

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、集中素子共振器やフィルタよりも 、サイズと品質係数の点でキャビティ フィルタの方が実用的になります。

さまざまな誘電体材料で作られたパックを使用して共振器を作成することもできます。同軸共振器と同様に、高誘電率材料を使用してフィルタの全体的なサイズを縮小できます。低損失の誘電体材料を使用すると、これまでに説明した他のテクノロジよりも大幅に高いパフォーマンスを提供できます。

圧電材料をベースにした電気音響共振器は、フィルター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、水晶共振器があります。これは基本的に、一対の電極で挟まれた圧電水晶の切り口です。この技術は数十メガヘルツに限定されています。マイクロ波周波数 (通常 100 MHz 以上) の場合、ほとんどのフィルターは表面音響波 (SAW)や薄膜バルク音響共振器(FBAR、TFBAR) ベースの構造などの薄膜技術を使用しています。

ワッフル焼き器のフィルターがその一例です。

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、より低いまたはより高い周波数に調整することができ、広い調整範囲を実現します。^[4]

• Microwaves 101 のマイクロ波フィルターに関する記事
• ソフトウェア無線用 RF フィルタの入門