村田製作所の6G向け高周波フィルター 高周波フィルターとは何か？どのような構成と仕組みなのか？

この記事で分かること

村田製作所の6G向け高周波フィルター

　村田製作所は、6Gに向けた高周波フィルターの量産を進めていると発表しています。

　https://www.nikkan.co.jp/articles/view/00754851

　村田製作所が6Gを見据えた技術開発と製品化に積極的に取り組んでいることが伺えます。

高周波フィルターとは何か

　高周波フィルター（High-frequency filter）とは、特定の周波数帯の信号を選択的に通過させ、それ以外の不要な周波数帯の信号を遮断または減衰させる電子部品や回路のことです。

　身近な例で考えると、ラジオやテレビのチューナーがまさに高周波フィルターの一種です。たくさんの放送局から送られてくる電波の中から、聴きたい、見たい放送局の電波だけを選び出す役割をしています。

なぜ高周波フィルターが必要なのか？

　現代の電子機器は、非常に多くの周波数帯の電波や信号が飛び交う環境で動作しています。例えば、携帯電話、Wi-Fi、Bluetooth、GPSなど、様々な無線通信が同時に行われています。もしこれらの信号が混じり合ってしまうと、通信品質の劣化、ノイズの発生、機器の誤動作などを引き起こします。高周波フィルターは、こうした問題を解決し、信号の品質を保つために不可欠な役割を担っています。

高周波フィルターの種類

主に、通過させる周波数帯によって以下の種類に分けられます。

• ローパスフィルター (Low-Pass Filter: LPF): 低い周波数の信号を通過させ、高い周波数の信号を遮断します。
  • 例：音声信号から高周波ノイズを除去する、通信で必要な低周波信号だけを通す
• ハイパスフィルター (High-Pass Filter: HPF): 高い周波数の信号を通過させ、低い周波数の信号を遮断します。
  • 例：音声信号から低周波ノイズ（ハムノイズなど）を除去する、特定の高周波通信信号だけを通す
• バンドパスフィルター (Band-Pass Filter: BPF): 特定の周波数範囲の信号だけを通過させ、それより低い周波数と高い周波数の信号を遮断します。
  • 例：無線通信で、目的のチャンネルの周波数帯だけを選択的に取り出す
• バンドエリミネーションフィルター (Band-Elimination Filter: BEF) / バンドストップフィルター (Band-Stop Filter: BSF): 特定の周波数範囲の信号だけを遮断し、それ以外の周波数の信号は通過させます。
  • 例：特定の干渉ノイズ源の周波数だけを除去する

高周波フィルターの主な構成要素

高周波フィルターは、主に以下の電気部品を組み合わせて作られます。

• インダクタ (コイル: L): 周波数が高くなるほど電気の流れを妨げる（インピーダンスが大きくなる）性質があります。
• コンデンサ (C): 周波数が高くなるほど電気の流れを妨げにくくなる（インピーダンスが小さくなる）性質があります。
• 抵抗 (R): 周波数に関わらず電気の流れを妨げる（インピーダンスが一定）性質があります。

　これらの部品の組み合わせ方によって、フィルターの特性（どの周波数をどれくらい通過・遮断するかなど）を設計します。

用途

高周波フィルターは、私たちの身の回りにある様々な電子機器に広く使われています。

• 無線通信機器: 携帯電話、Wi-Fiルーター、Bluetooth機器、GPS機器、基地局など
• テレビ・ラジオ: 特定のチャンネルの電波を受信するために
• 医療機器: 検査装置や治療機器における信号処理に
• 産業機器: 制御システムや計測機器のノイズ対策に
• 自動車: 車載通信システムやセンサーの信号処理に

　特に、5Gや将来の6Gといった高速・大容量の無線通信においては、より高い周波数帯域が利用されるため、高精度で低損失な高周波フィルターがますます重要になっています。村田製作所などが開発している高周波フィルターは、このような最先端の通信技術を支える基幹部品と言えます。

高周波フィルターは、特定の周波数帯の信号を選び、不要な信号を遮断する電子部品です。携帯電話やWi-Fiなど、様々な電子機器の通信品質を保つ上で不可欠であり、5Gや6Gといった高速通信の要となります。

特定の周波数帯の信号を選択的に通過させるメカニズムは

　高周波フィルターが特定の周波数帯の信号を選択的に通過させるメカニズムは、主に共振現象と、インダクタンス (L) と キャパシタンス (C) の組み合わせによる周波数依存性を利用しています。

基本的なメカニズム

1. インダクタ（L）とコンデンサ（C）の周波数依存性:
   • インダクタ（コイル）: 周波数が高くなるほど、電流の流れを妨げる度合い（インピーダンス）が大きくなります。直流電流は容易に通しますが、高周波電流は通しにくい性質があります。
   • コンデンサ（キャパシタ）: 周波数が高くなるほど、電流の流れを妨げる度合い（インピーダンス）が小さくなります。直流電流は通しませんが、高周波電流は通しやすい性質があります。
2. 共振現象の利用:
   • LC回路（インダクタとコンデンサを組み合わせた回路）には、特定の周波数でインピーダンスが極端に低くなったり（直列共振）、極端に高くなったり（並列共振）する「共振」という現象があります。
   • 直列共振: 特定の周波数（共振周波数）でインピーダンスが最小となり、その周波数の信号は非常に通過しやすくなります。
   • 並列共振: 特定の周波数（共振周波数）でインピーダンスが最大となり、その周波数の信号は非常に通過しにくくなります。

フィルターの種類ごとの具体的なメカニズム

• バンドパスフィルター (BPF):
  • 特定の周波数で共振するように設計されたLC回路を組み合わせて構成されます。
  • 例えば、直列共振回路を信号経路に挟むことで、共振周波数付近の信号だけを効率よく通過させ、それ以外の周波数の信号は大きなインピーダンスで阻止されます。
  • または、ローパスフィルター（低周波を通す）とハイパスフィルター（高周波を通す）を組み合わせて、その両方が通過できる特定の帯域だけを抽出する形で作られることもあります。
• ローパスフィルター (LPF):
  • 高周波になるほどインピーダンスが大きくなるインダクタを直列に、高周波になるほどインピーダンスが小さくなるコンデンサを並列に配置することで実現されます。
  • これにより、低周波信号は抵抗が少なく通過しますが、高周波信号はインダクタで阻止され、コンデンサでグランドに逃がされるため減衰します。
• ハイパスフィルター (HPF):
  • 高周波になるほどインピーダンスが小さくなるコンデンサを直列に、高周波になるほどインピーダンスが大きくなるインダクタを並列に配置することで実現されます。
  • これにより、高周波信号は抵抗が少なく通過しますが、低周波信号はコンデンサで阻止され、インダクタでグランドに逃がされるため減衰します。
• SAW/BAWフィルター (音響共振器):
  • これらのフィルターは、電気信号を圧電体（特定の物質）で音波（弾性波）に変換し、その音波が特定の周波数で共振する性質を利用します。
  • 共振した音波だけが再度電気信号に変換され、他の周波数の音波は減衰するか散乱されるため、特定の周波数帯の信号だけが通過します。このメカニズムは、LC共振よりもはるかに鋭い周波数選択性を実現できます。

　このように、高周波フィルターは、LとCの組み合わせによる周波数特性の変化、または物質固有の共振現象を利用して、電気信号の中から必要な周波数帯だけを選び出す役割を果たしています。

高周波フィルターは、インダクタ（L）とコンデンサ（C）が持つ周波数によって抵抗値が変わる特性や、回路の共振現象を利用します。これにより、特定の周波数帯の信号だけが効率良く通過し、それ以外の周波数帯の信号は阻止される仕組みです。

インダクターとは何か

　インダクタ（inductor）とは、電気エネルギーを磁気の形で蓄えることができる受動電子部品です。一般的には「コイル」とも呼ばれ、導線をらせん状に巻いた構造をしています。回路図では「L」の記号で表されます。

主な特徴と働き

• インダクタンス（Inductance）: インダクタの最も重要な特性で、電流の変化にどれだけ逆らうかを示す量です。単位はヘンリー（H）で表されます。インダクタンスが大きいほど、電流の変化を妨げようとする力が強くなります。
• 電流の変化を抑える: インダクタに流れる電流が変化すると、自己誘導作用（電磁誘導）により、その変化を妨げようとする電圧（逆起電力）が発生します。
  • 電流が増加しようとすると、それを妨げる方向に電圧が発生し、電流の立ち上がりを遅らせます。
  • 電流が減少しようとすると、それを維持する方向に電圧が発生し、電流の減少を緩やかにします。
• 直流は通し、交流は通しにくい:
  • 直流（DC）: 電流の変化がないため、インダクタンスによる抵抗はほとんどなく、導線自体の抵抗（非常に小さい）のみで電流が流れます。短絡状態とみなせます。
  • 交流（AC）: 電流が常に変化するため、周波数が高くなるほどインダクタンスによる抵抗（リアクタンス）が大きくなり、電流を流れにくくします。
• エネルギー貯蔵: 電流が流れると周囲に磁場を発生させ、その磁場にエネルギーを蓄えます。電流が遮断されると、蓄えられたエネルギーを放出して電流を流し続けようとします。

主な用途

これらの特性から、インダクタは様々な電子回路で重要な役割を果たします。

• フィルタ回路: 特定の周波数成分を選択的に通過させたり除去したりするために、コンデンサと組み合わせて使用されます（例：高周波フィルター、ノイズ除去）。
• 共振回路: 特定の周波数で共振現象を起こし、特定の信号を強調するために使用されます（例：ラジオの選局回路）。
• 電源回路: 電流の平滑化（脈動の除去）、電圧の昇降圧（DC-DCコンバータなど）に利用され、安定した電源供給に貢献します。
• ノイズ対策: 高周波ノイズを抑制するためのチョークコイルとして使用されます。

　このように、インダクタは電子機器の基本的な受動部品であり、抵抗、コンデンサと並んで「三大受動部品」の一つとされています。

インダクタは「コイル」とも呼ばれ、導線を巻いた形状の電子部品です。電流の変化に逆らい、電気エネルギーを磁気として蓄える特性を持ちます。直流は通し、交流、特に高周波は通しにくい性質があり、フィルターや電源回路などで使われます。

コンデンサとは何か

　コンデンサ（Capacitor）とは、電気エネルギーを一時的に蓄えることができる受動電子部品です。一般的には「キャパシタ」とも呼ばれ、回路図では「C」の記号で表されます。

基本的な構造

コンデンサは、2枚の導体（電極板）を、電気を通さない絶縁体（誘電体）を挟んで配置したシンプルな構造をしています。

主な特徴と働き：

• 静電容量（Capacitance）: コンデンサの最も重要な特性で、どれだけの電荷を蓄えられるかを示す量です。単位はファラッド（F）で表されます。静電容量が大きいほど、より多くの電荷を蓄えることができます。
• 電荷の蓄積と放出:
  • 電圧が印加されると、電極板に電荷が蓄えられ、電気エネルギーを蓄積します。
  • 蓄えられた電荷は、電圧がなくなると放電され、回路に電流を供給します。
• 直流は通さず、交流は通す:
  • 直流（DC）: 導体間に絶縁体があるため、直流電流は基本的に流れ続けることができません。電荷が満充電になると、電流は流れなくなります（開放状態とみなせる）。
  • 交流（AC）: 交流電圧が印加されると、電圧の変化に応じて電荷の充放電が繰り返されます。この充放電の繰り返しが、あたかも電流が流れているように見えるため、交流電流は通します。周波数が高くなるほど、コンデンサの電気的な抵抗（リアクタンス）は小さくなり、電流を流しやすくなります。

主な用途

• フィルタ回路: 特定の周波数成分を選択的に通過させたり除去したりするために、インダクタと組み合わせて使用されます（例：高周波フィルター、ノイズ除去）。
• 平滑回路: 電源からの脈流（電圧の変動がある直流）を平滑化し、安定した直流電圧を得るために使用されます。
• タイミング回路: 充電・放電の時間を利用して、時間の遅延を作り出したり、発振回路の周期を決めたりします。
• 結合・分離（カップリング・デカップリング）: 異なる回路ブロック間で直流成分を遮断し、交流信号だけを伝達したり、電源ラインのノイズを除去したりするために使用されます。

　このように、コンデンサはインダクタや抵抗と並び、電子回路の非常に基本的な構成要素であり、様々な機能を実現するために不可欠な部品です。

コンデンサは、2枚の電極間に誘電体を挟んだ構造で、電気エネルギーを一時的に蓄える受動部品です。直流は通さず、交流は通す性質を持ち、周波数が高いほど電流を流しやすくなります。フィルターや電源の平滑化、信号の結合などに広く利用されます。