JP2000295009A

JP2000295009A - 一般応答デュアルモード、誘電体共振器にロードされる空洞共振器フィルタ

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Publication number: JP2000295009A
Application number: JP2000008387A
Authority: JP
Inventors: Slawomir J Fiedziuszko; ジェイ．フィージウスコスラウォミール; George A Fiedziuszko; エイ．フィージウスコジョージ
Original assignee: Space Systems Loral LLC; Loral Space Systems Inc
Current assignee: Lanteris Space LLC
Priority date: 1999-03-27
Filing date: 2000-01-17
Publication date: 2000-10-20
Also published as: US6297715B1; CA2286997A1; EP1041663A1

Abstract

(57)【要約】（修正有）【課題】一般応答デュアルモードで、低温度係数を有す
る、誘電体共振器にロードされた空洞共振器フィルタを
提供する。【解決手段】マルチ空洞共振器フィルタ１は、入力空洞
共振器３と、出力空洞共振器５と、１つ以上の中間空洞
共振器７とからなり、円筒導波路９において、共振器端
部壁１１ａ−ｄにより、区切られている。入力は同軸コ
ネクタ１５の容量性プローブ１９により、共振器３に結
合され、ハイブリッドＨＥ_１１１モードを励起する。次
いでマイクロ波エネルギは十字形のアイリス２１により
共振器７に、さらにアイリス２３により出力空洞共振器
５に接続され、導波路へは出力アイリス２５を通して供
給される。誘電体共振器２７は各空洞共振器内で、軸を
中心に対称な複合共振器を形成し、一対の直交軸の各々
に沿って共振する。同調ネジ２９，３１により、空洞共
振器３３を２つの直交ＨＥ_１１１モードに共振させるよ
うに調整する。モード結合ネジ３により、両ＨＥ_１１１
モードを調整する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【背景】本発明は、マイクロ波フィルタに関し、特に、
衛星および無線システム用途での送受信機にて使用され
る、一般応答デュアルモード、誘電体共振器にロードさ
れた空洞共振器マイクロ波フィルタおよびマルチプレク
サに関する。

【０００２】

【発明の分野】本発明は、小型、軽量、極端な環境条件
に対する耐性という困難な条件を満たすように設計され
ている送受信機において使用されるマイクロ波フィルタ
に関する。従って、本発明の教示によるフィルタは、移
動、航空機、衛星、無線の各々の通信システムの分野で
の使用に適しており、かかる分野では、比較的広帯域の
周波数スペクトルにおいて多数の比較的狭周波数帯、す
なわちチャネルを鋭く画定するという要件が存在する。
従って、本発明に従って設計されるフィルタは、軍用及
び民間用の衛星通信ステーションにおいて使用される多
数の隣接チャネルを画定する帯域構成において、特に有
効である。

【０００３】かかる衛星通信ステーションが、気象デー
タ、ギャザリング(gathering)、地上監視、様々な遠距
離通信、商用テレビ娯楽プログラムの転送などの様々な
目的に対して使用されるようになってきた。軌道上に衛
星を配置するコストは相当であるから、各衛星は、でき
るだけ多数の通信目的を果たし、できるだけ多数の周波
数チャネルをカバーしなければならない。従って、コン
パクト且つ軽量フィルタユニットにおいて複合で精巧な
フィルタ機能を実現する能力は、かなり進歩したので、
これによって、寸法や重量を増やさずに周波数帯域サー
ビスエリアを拡張することができる。さらに、これらの
進歩は、広い温度範囲にわたって安定した性能を維持す
る要件を含みつつ、かかる通信システムにより満たされ
るべき厳しい要件を緩和させずに、可能である。

【０００４】

【従来技術の説明】Ｅ．Ｗ．シーリー(E.W.Seeley)らの
米国特許第3,205,460号は、フィルタを設計した周波数
でのカットオフ以下になるように大きさが決められた矩
形導波路から形成されるマイクロ波フィルタを開示す
る。しかし、誘電体の矩形スラブは、導波路の上から下
まで、間隔をあけて、導波路の中央面(midplane)線に沿
って延在し、故に、一連の間隔をあけたサセプタンスが
生じる。同調ネジが使用されて、フィルタの微調整を可
能にする。しかし、この特許は、簡単な反復帯域設計よ
りもより複雑なフィルタ機能を実現する方法に関する情
報を含まない。特に、デュアルモード動作を使用する方
法や、または、それを必要とするフィルタ設計のための
クロスカップリングを実現する方法についての開示はな
い。

【０００５】Ａ．カープ(A.Karp)らの米国特許第3,475,
642号は、間隔をあけて置かれたルチルセラミック製の
一連のディスクが導波路に沿って延在する低速波回路を
開示する。この特許は、デュアルモード動作を使用する
効果の教示を含まず、TE_01δモードでのシングルモード
動作を使用する。Ｔ．カワハシ(T. Kawahashi)らの米国
特許第3,496,498号は、各々が対象周波数で４分の１波
長となるように大きさが決められた、一連の金属ロッド
が、導波路構造体に沿って間隔をあけて置かれてフィル
タを形成する、マイクロ波フィルタを開示する。ロッド
に、溝が形成されて、物理的な長さを変化させずに電気
長さを変化させている。

【０００６】キムラらの米国特許第4,019,161号は、Ｔ
Ｅ_01σモードの単一モード動作を使用する温度補償誘電
体共振器装置を開示する。ディクソン(Dixon)の米国特
許第4,027,256号は、フェライトロッドが軸方向に円筒
誘電構造体の中心を通って、さらに共振構造体に沿って
間隔をあけて置かれる複数の誘電体共振器ディスクの中
心に沿って延在している、広帯域フェライトリミッタを
開示する。この特許は、コンパクトな高性能フィルタユ
ニットでのマイクロ波フィルタ機能の実現に関しては、
ほとんど何も含まない。

【０００７】ワキノ(Wakino)らの米国特許第4,028,652
号は、形状及び大きさが様々に異なるセラミック分解能
領域が開示され記載されている単一モードフィルタ設計
を開示する。しかし、この特許は、共振構造のデュアル
モード動作の使用を提案していない。ニシカワ(Nishika
wa)らの米国特許第4,142,164号は、ＴＥ_01σモードを使
用している誘電体共振器を開示する。この特許は、主
に、セラミック共振器素子と接着する選択された量の合
成樹脂を加えて共振周波数を少しずつ増やして変えるこ
とによる、微調整技術を開示する。しかし、デュアルモ
ード動作を使用する提案はない。

【０００８】ニシカワらの米国特許第4,143,344号は、
動作時に２つのモードを使用するマイクロ波共振構造を
開示する。しかし、使用されるモードは、この引用例の
学術用語を使用して、かなり類似しない場の分布を有す
るＨ_01σ及びＥ_01σモードである。この事実の結果とし
て、少なくとも部分的に、引用例は、各々のモードへの
カップリングを制御する方法に関する教示を含まず、し
たがって、各々モードでフィルタ機能の１の極の実現す
る方法は示していない。その結果、３つの共振器のみを
有するフィルタにて複合６-極反応を実現する方法は、
この特許の教示の範囲内にない。各モードに対するカッ
プリングが独立に制御されるならば、存在するかもしれ
ない。

【０００９】ニシカワらの米国特許第4,184,130号は、
開口を外側の導体に切ることによって漏れているその線
の短い領域によって同軸線に接続されている共振器にお
いて、シングルモード（ＴＥ_01σ）を使用しているフィ
ルタ設計をカバーする。カスガ(Kasuga)らの米国特許第
4,197,514号は、マイクロ波遅延イコライザを開示す
る。複雑なフィルタ機能を実行する小型高性能フィルタ
を作る方法に関しての提案はない。

【００１０】固体高誘電率共振素子を開示する上記従来
技術に加えて、従来技術では、様々な構成の無充填空洞
共振器が時々デュアルモード動作で使用される。しか
し、共振空間の均一の誘電率のために、結果として生じ
る構造体は、比較的大きい。無充填空洞共振器に関する
従来技術は、ブラッチャ(Blachier)らの米国特許第3,69
7898号、ウィリアムズ(Williams)らの米国特許第3,969,
692号、アティア(Atia)らの米国特許第4，060，779号、
クラベン(Craven)の英国特許第1,133,801号を含む。

【００１１】ウィリアムズらの特許は、従来の空洞共振
器を使用するデュアルモードフィルタを論議し、一方、
上記英国特許は不安定な(evanescent)モードを使用す
る。しかし、無充填空洞共振器に関する従来技術のいず
れも、小型化空洞共振器内に共振器素子を囲みながら
も、共振器の主要部品として高誘電率の共振器素子を使
用することによって空洞共振構造の容量を相当量減らす
提案を含んではいない。なお、この小型化空洞共振器
は、それが含まれた共振器素子用でない場合に、それ自
身が対象周波数でのカットオフ以下となるものである。

【００１２】「両端部で平行導電性プレートによって短
絡された誘電ロッド共振器の共振モード」と題されたコ
バヤシ（Kobayashi）らの論文(8099IEEE、Transactions
onMicrowave Theory and Techniques、第MTT-28巻、第
10号、1980年10月、ニューヨーク)は、両方の端部で伝
導板によって短絡された誘電ロッドでの共振モードの実
験研究を詳述する。コバヤシの引例は、機能マイクロ波
フィルタを形成するために必要な構造を開示したり提案
してはいない。例えば、各々一対の直交軸に沿って共振
器を調整する手段は無く、入出力手段も無い。

【００１３】プローデ(Plourde)らの「Ba(2)Ti(9)O(20)
セラミックを使用したマイクロ波誘電体共振器フィル
タ」と題された論文(1977、IEEE MTT-S、国際マイクロ
波シンポジウムダイジェスト)は、出願人によって用い
られた連結空洞共振器構造とは異なるストリップ線共振
構造を開示する。グイロン(Guillon)の「誘電体共振器
デュアルモードフィルタ」と題された論文（８０３０
エレクトロニクスレターズ、第16巻（１９８０）、８
月、第17号）は、完成されたフィルタ設計よりは、ほ
ぼ、マイクロ波現象の調査の研究所モデルとなる単一共
振器フィルタを開示する。従って、引用例は、実用的な
６、８、またはそれ以上の極フィルタ機能に必要とされ
るようなマルチ空洞共振器を実現するのに必要な相互空
洞結合(intercavity-coupling)構造体とその詳細とを開
示していない。

【００１４】フィツェンマイヤ(Pfitzenmaler)の「衛星
で使用するデュアルモードフィルタを有する導波路マル
チプレクサ」と題された論文(第５回ヨーロッパマイク
ロ波会議、１９７５年、９月１日〜４日、ドイツ、ハン
ブルグ)は、無充填空洞共振器に関する上記の従来技術
の典型である。無充填空洞共振器に関して言及された特
許の引用例と同じように、フィツェンマイヤの引用例
は、従来の無充填空洞共振器の有料及び重量を減らす方
法に関して、いかなる提案も欠いている。

【００１５】マヒュー(Mahieu)の「ミリメートル通信シ
ステムとともに誘電体共振器を使用した低変換損失アッ
プ・ダウンコンバータ」と題された論文(第６回ヨーロ
ッパマイクロ波会議、１９７６年９月１４日〜１７日、
イタリア、ローマ）は、誘電体共振器を使用した周波数
変換機とミキサとを開示するが、フィルタ処理を行うか
かる素子の使用は教示しない。

【００１６】最も関連する従来技術に関して、本発明の
譲受人に譲渡されたフィージウスコ(Fiedziuszko)らの
米国特許第4,489,293号は、２つの直交共振モードの各
々において同時に動作する複合共振器を使用するコンパ
クトなフィルタユニットの形を採るフィルタ機能を開示
する。直交共振モードの各々は、独立して同調可能であ
り、各々は、フィルタ機能の別々の極を実現するために
使用される。

【００１７】複合共振器は、高誘電率固体材料で作製さ
れた共振器素子から成り、包囲空洞共振器と共に、セラ
ミック材料の短円筒領域から形成しても良い。包囲空洞
共振器は、空洞共振器での高誘電率共振器素子用ではな
いカットオフ未満で十分となるように含まれる波長と比
較して十分に小さい。容量性プローブや誘導アイリスが
使用されて、数個の複合共振器の間のカップリングを提
供し、更に複合共振器で形成されるフィルタユニットに
対して入力及び出力カップリングを提供する。２の直交
共振モードに関してカップリング装置を適切に配置する
ことによって、いかなる所望の共振モード間でのクロス
カップリングを行うことが可能であり、故に、かかるカ
ップリングを必要とするフィルタ機能は容易に実現され
る。

【００１８】直交共振モードの独立調整は、互いに直交
する軸に沿って空洞共振器壁から内方に突出する一対の
同調ネジを使用して行われる。これらの軸のいずれか一
方に沿ったマイクロ波共振は、直交モード軸に対して４
５゜をなす軸に沿って空洞共振器に突出するモードカッ
プリングネジによって、他方の軸に沿った共振を励起す
るように結合される。

【００１９】米国特許第4,197,514号において開示され
たフィルタは、フィルタの分野では重大な改良である
が、本発明の発明者は、この特許に開示されて可変の入
出力カップリングを提供するとともに容易に多数のフィ
ルタ用途に適応できる一般化されたフィルタを開発し
た。このように、いくつかのまたは多数の極や、極の間
のクロスカップリングを含む複合フィルタ機能を実現
し、さらに、可変の入出力カップリングを有するマイク
ロ波フィルタを有することは、有効である。複数の複合
共振器を有し、この共振器の間のマイクロ波カップリン
グ装置と共に、フィルタを形成して、コンパクト且つ軽
量のユニット内に様々な複合フィルタ機能を実現し、こ
れが、可変の入出力カップリングを有することは、有効
である。

【００２０】２つの直交共振モードの各々において同時
に共振が生じるとともに、直交モードの各々に対して別
々に調整できる複合共振器を有することは、有効であ
る。共振器の場を摂動する能力を有して２つの直交共振
モードの間のカップリングを制御することも、有効であ
る。

【００２１】

【発明の概要】本発明は、２つの直交共振モードの各々
において同時に動作する複合共振器を使用するコンパク
トなフィルタユニットの形でフィルタ機能を実現する。
直交共振モードの各々は、他方に対して独立に同調可能
であり、故に、各々は、フィルタ機能の別々の極を実現
するために使用される。

【００２２】より詳しくは、本発明は、空洞共振器と、
空洞共振器内に配置された誘電共振器素子とを含む複合
マイクロ波共振器から成るマイクロ波フィルタを提供す
る。第１および第２の同調装置は、複合共振器を第１お
よび第２の直交共振モードの共振に同調させるために、
それぞれ第１および第２の軸に沿って配置される。モー
ド結合装置が用いられて、２つの直交共振モードの間で
結合されるエネルギ量を調整する。入力結合装置は、空
洞共振器へとマイクロ波エネルギを結合するために設け
られている。出力結合装置は、空洞共振器から共振エネ
ルギの一部を結合するために設けられている。入出力結
合装置は、０と±１８０゜との間で変化する選択可能な
角度で、対応する同調装置から角度的に異なる位置に配
置される。入力および出力結合装置の位置のこの可変性
は、調節可能な入出力カップリングを有するフィルタを
提供する。本発明は、急峻な応答フィルタの実現を可能
にして、更にデュアルモードフィルタ構成の非対称応答
フィルタの実現を可能にするものである。

【００２３】複合共振器は、高誘電率固体材料で作製さ
れる共振器素子から成り、包囲空洞共振器と共にセラミ
ック材料の短い円筒領域から成る。包囲空洞共振器は、
空洞共振器内で高誘電率共振器素子に対するカットオフ
以下で十分となることを含む波長と比較して十分に大き
さは小さい。容量性プローブや誘導性アイリスは、複数
の複合共振器間のカップリングを提供し、更に複合共振
器から形成されるフィルタユニットに対する入力および
出力カップリングを提供する。２つの直交共振モードに
関して結合装置を適切に配置することによって、任意の
所望の共振モードの間のクロスカップリングを行うこと
は可能である。故に、かかるカップリングを必要として
いるフィルタ機能は容易に実現される。

【００２４】直交共振モードの独立同調は、互いに直交
する軸に沿って空洞共振器壁から内方に突出する一対の
同調ネジを使用して行われる。これらの軸のいずれか一
方に沿ったマイクロ波共振は、結合されて、直交モード
軸に対して４５゜をなす軸に沿って空洞共振器へと突出
するモード結合ネジによって、他方に沿った共振を励起
する。

【００２５】または、誘電共振器素子の表面や導波路の
壁の内面は、それぞれの面にバンプまたはディンプルを
つくることによって摂動されて、直交共振モードの間の
同調または相互カップリングを生成する。優れた温度安
定性は、ほぼゼロとなる共振周波数の温度係数を有する
共振器材料を選ぶことによって、さらに、共振空洞共振
器および同調ネジ用の材料を選択することによって得ら
れ、故に、一方の熱膨張が、もう一方の熱膨張によって
ほぼ補償される。

【００２６】本発明は、衛星および無線システム分野で
の、マイクロ波、高性能フィルタ、マルチプレクサにお
いて有効に使用されるものである。

【００２７】

【好ましい実施例の記載】本発明のさまざまな特徴およ
び効果は、添付の図面とともに以下の詳細な説明を参照
すると容易に理解することができる。以下の記載におい
て、同じ参照符号は同一の素子を示すものである。図面
を参照すると、図１に、本発明の特徴を具体化している
マルチ空洞共振器フィルタ１を示す。マルチ空洞共振器
フィルタ１は、入力空洞共振器３と、出力空洞共振器５
と、１つ以上の中間空洞共振器７とからなり、中間空洞
共振器は、入力空洞共振器３と出力空洞共振器５との間
の破断領域に図式的に１つ乃至複数示されるものであ
る。空洞共振器３、５、７は、長さが短い円筒導波路９
において、長さ方向に間隔をあけて延在している複数の
空洞共振器端部壁１１ａ−ｄによって、電気的に範囲が
規定されている。端部壁１１ａ−ｄと導波路９とは、イ
ンバールやグラファイトファイバ強化プラスチック（GF
RP）、一般に導波路のハードウェアが作られる任意の周
知材料にて作製されている。導波路９と端部壁１１ａ−
ｄとは、銀等の高導電性材料によって表面がメッキされ
ている。尚、銀は、導波路９と端部壁１１ａ−ｄとの表
面にスパッタによってつけることもできる。端部壁１１
ａ−ｄは、任意の周知のろう付けやハンダ付けによっ
て、または、対象の材料に適した周知の接着技術によっ
て、導波路９の内部壁に接続されている。

【００２８】プローブアセンブリ１３やコネクタ１３の
形を採る入力結合（カップリング）装置は、外部のソー
ス（図示せず）から入力空洞共振器３へとマイクロ波エ
ネルギを結合（カップリング）するために使用される。
プローブアセンブリ１３は、同軸入力コネクタ１５と、
絶縁性取付ブロック１７と、容量性プローブ１９とを含
む。プローブ１９に接続されるマイクロ波エネルギは、
そこから入力空洞共振器３へと放射され、そこで、マイ
クロ波共振が、ハイブリッドＨＥ₁₁₁モードで励起され
る。入力空洞共振器３から、マイクロ波エネルギは、十
字形をした第１結合アイリス２１によって中間空洞共振
器７に結合され、中間空洞共振器７から出力空洞共振器
５へと十字形をした第２結合アイリス２３によって接続
される。最後に、エネルギは、出力空洞共振器５から導
波路システム（図示せず）に、スロット構成を有する出
力アイリス２５により結合される。

【００２９】各空洞共振器３、５、７に、共振周波数の
高誘電率と高いＱと低温度係数とを有する材料からなる
誘電共振器素子２７が、配置されている。共振器素子２
７は、図示するように、形状が円筒形であり、故に、円
筒空洞共振器３、５、７と共に、形が軸方向に左右対称
の複合共振器が形成される。共振器素子２７は、ルチ
ル、テトラチタネート（ＢａＴｉ₄Ｏ₉）バリウム、ベル
研究所によって開発されたＢａ₂Ｔｉ₉Ｏ₂₀化合物などの
関係するセラミック化合物等、または、ムラタ製造社か
ら商標「Resomics」の名で入手可能なバリウムジルコン
酸塩セラミック化合物のシリーズなどの、様々な材料か
ら作製される。

【００３０】かかる材料の最良のものは、高誘電率（>3
5）と、高いＱ（>7500）と、「Resomics」に対して０．
５(単位:ppm/s℃)と同じように低いテトラチタネートバ
リウムに対して共振周波数の低い温度係数Ｋ１５との望
ましい組合せを有するセラミック共振器素子を形成す
る。空洞共振器３、５、７を慎重に設計して材料を選択
することによって、空洞共振器と共振器素子との組合せ
により形成される複合共振器も、高いＱ共振周波数の低
温度係数とを有し、一方、共振器素子の高誘電率は、誘
電素子内で共振エネルギの電磁場を集める。故に、同じ
共振周波数に対して設計される「空」空洞共振器と比べ
ると、複合の共振器の物理的なサイズを減らすことがで
きる。

【００３１】上記したように、円筒空洞共振器３、５，
７に配置された円筒共振器素子２７各々は、空洞共振器
３，５，７とともに、軸を中心に対称な複合共振器を形
成し、これらの複合共振器の各々には、一対の直交軸の
各々に沿って共振器を共振に同調させる手段が備えられ
ている。このように、図１において、第１の同調ネジ２
９は、空洞共振器３の軸と共振器素子２７とを実質的に
９０゜の角度で交差する第１の軸に沿って入力空洞共振
器３に突出する。第２の同調ネジ３１は、第１の軸から
９０゜だけ角度が回転した第２の軸に沿って空洞共振器
３へと、同様に突出している。同調ネジ２９、３１は、
空洞共振器３を、２つの直交ＨＥ₁₁₁共振モードの各々
の共振へと同調させるように機能する。同調ネジ２９、
３１の突出の程度は、独立に調節可能であるので、２つ
の直交モードの各々は、独立に選択された共振周波数に
正確に同調される。故に、入力空洞共振器３は、複合フ
ィルタ機能の極のうちの２つを実現できる。

【００３２】空洞共振器３において２つの直交共振モー
ド間のカップリング量を可変とするために、モードカッ
プリングねじ３３からなる第３の同調ネジ３３が設けら
れている。このねじは、最初の２つの軸の間の中間をそ
れに対して４５゜の角度で延びる第３の軸に沿って空洞
共振器３へと延在する。第３同調ネジ３３は、空洞共振
器内で共振エネルギの電磁場を摂動させるように機能
し、故に、エネルギは、２つの直交共振モードの間で制
御自在に結合される。さらに、かかるカップリングの程
度は、第３同調ネジ３３が空洞共振器３に突出する量を
変化させることによって可変である。

【００３３】または、誘電共振器素子２７の表面や導波
路９の壁の内面は、それぞれの面にバンプやディンプル
をつくって直交共振モードの間に同調または相互結合を
生ぜしむることによって、摂動される。上記したよう
に、導波路９は、様々な周知の材料から形成することが
できる。特に適切な材料は、薄い（０．３〜１．０mm）
インバールであり、これを使用して空洞共振器や端部壁
１１a-dを形成できる。この材料の膨張の温度係数（〜
１．６ppm/℃）および緻密な機械処理適性は、完成した
フィルタの安定性および性能に貢献する。インバールが
導波路および端部壁に対して使用されるとき、ろう付け
は、ニッケル１８％および金８２％の合金からなる「Ｎ
ｉＯｒｏ」を使用して行われる。同様に、同調ネジ２
９、３１、３３を形成するために使用される材料は、共
振器素子２７の共振周波数の温度係数と、空洞共振器を
構造するために使用される材料の膨張温度係数とを考慮
して選択され、故に、複合共振器の共振周波数の温度係
数は、できるだけゼロに近くなる。インバールが空洞共
振器構造体に対して使用されるとき、０．５ppm/℃の係
数を有する共振器素子と共に、ろうやインバールが、同
調およびモード結合ねじ用の材料として適切に使用され
る。空洞共振器用の材料の様々な選択や、共振器素子２
７の共振周波数の異なる温度係数、アルミニウム等の他
の材料が、複合共振器の近零温度係数を保証するために
有効であることが分かっている。

【００３４】図１に図示しないが、共振器素子２７は、
一般にＰＴＦＥ等の低損失絶縁体材料等のパッドや短い
柱の形をとる様々な絶縁性マウント素子によって、空洞
共振器３、５、７に適切に取り付けることが可能であ
る。しかし、最良の性能は、低損失ポリスチレンででき
ているマウントを使用することによって得られた。空洞
共振器３、５、７の各々は、直交軸に沿って延在してい
る第１および第２の同調ネジ２９、３１と、第１および
第２の軸に対して４５゜の角度を実質的になす第３軸に
沿って延在するモード結合ねじ３３とを含む。これらの
ネジ２９、３１、３３は、中間空洞共振器７に対しては
図示しないが、出力空洞共振器５のネジ２９’、３
１’、３３として例示する。出力空洞共振器５で
は、「'」が付された番号は、空洞共振器３にて番号が
同一の部品に相当する。更に、ネジ２９'、３１'、３
３'が空洞共振器の中心軸に関して他の方向に示されて
いるが、その機能は変わらないことを理解すべきであ
り、直交する第１および第２の軸は、入力空洞共振器３
の場合と同じ位置のままである。

【００３５】同様に、図１の典型的なフィルタ１に示す
空洞共振器３の各々は、マイクロ波エネルギを空洞共振
器３、５、７に対して結合する結合装置を含む。入力空
洞共振器３のプローブアセンブリ１３を除いては、結合
装置は、図１に示す実施例のアイリス２１、２３、２５
から成る。しかし、結合装置は、容量性プローブや、誘
導性アイリス、またはその二つの組合せのいずれかであ
る。更に、アイリス２１、２３は、形が十字形として示
されているが、アイリスは、空洞共振器の各々にて２つ
の直交モードの各々に結合された直交スロットアイリス
として機能する。また、アイリスの他の形は、実施され
るフィルタ機能によって必要な相互空洞共振器の性質に
依存して使用することができる。

【００３６】図２は、複合共振器の各々の共振周波数を
算出する際に有効な簡単な理論モデルを示す。故に、複
合フィルタ機能の実現に必要な複合共振器の各々を正確
に設計することが可能である。図２において、複合共振
器は、誘電率εを有する材料でできている半径Rを有す
る誘電体シリンダ３５としてモデル化されている。そし
て、このシリンダは、半径Ｒ_Sの円形導波路の内面を表
す円筒導電性壁３７によって同心円上に包囲されてい
る。これ以降、図面において「１」と番号が付された図
２の誘電体充填領域は、各パラメータに続いている添字
１によって示される。同様に、半径Ｒおよび半径Ｒ_Sの
間で図面に「２」と番号が付された領域は、排気され
て、自由空間誘電率ε₀と等価な誘電率を有すると仮定
する。この領域を参照するとき、添字２が使用される。

【００３７】「HE₁₁₁モードによって励起される誘電ロ
ッドアンテナのモデル分析」(IEEE Trans. on Antenna
and Propagation、第AP-20巻、第２号、１９７２年３
月)のヤジャン(Yaghjian)およびコンハウザ(Komhauser)
によって開発された方法を使用して、領域「１」および
「２」の電磁場の長手方向成分は、以下の式で表され
る。

【００３８】

【数１】

【００３９】但し、Ｒは誘電体シリンダ３５の半径、Ｒ
_Sは導電性壁３７の半径、γ_iはＺ方向における伝搬定
数、λ₀は共振周波数F₀iに相当する自由空間波長、Ｊ₁
は第１種(first kind)１次のベッセル(Bessel)関数であ
り、Ｋ_nはｎ次の修正ハンケル(Hankel)関数であり、修
正ベッセル関数である。すべての微分は、関数の議論に
関する。

【００４０】

【数２】

【００４１】電磁場の角度（接線）成分は領域「１」お
よび「２」の間で界面で（すなわち、半径Rで）連続し
なければならないということを考慮して、簡単にするた
めに以下の関係を導入する。

【００４２】

【数３】

【００４３】このようにして、以下の超越方程式が得ら
れる。

【００４４】

【数４】

【００４５】誘電体シリンダ３５が電気壁によってショ
ートされ、または磁気壁によってオープンサーキット状
態のいずれかにあると仮定すると、γ_iＬ＝π、γ_i＝π
／Ｌとなる。この関係と式［１］とから、ＨＥ₁₁₁モー
ドの共振周波数を算出できる。これらの算出において、
Lは共振器素子の実際の長さであり、μ₀は自由空間の透
磁率である。式［１］のパラメータp、hは、次のように
定義される。

【００４６】

【数５】

【００４７】式［１］に基づく共振周波数の計算は、十
分に正確であり有効であることがわかった。共振器素子
の長さに対する直径の比が約３未満であれば、測定共振
周波数によるこれらの一致は、適切である。しかし、予
測結果と測定結果との間のより近い一致が望ましいと感
じられた。図３に、共振周波数の計算の精度を向上する
ために電磁場の軸方向分布を分析する際に有効な第２理
論モデルを、示す。かかる構造の共振の詳細な分析は、
アンマン(Amman)およびモリス(Morris)によって、「高
いＱおよび高い充填因子が可能な同調誘電性ロードマイ
クロ波空洞共振器」と題された論文（IEEE trans.MTT-1
1,第528-542頁、１９６３年１１月)に発表された。

【００４８】簡潔に述べると、このハイブリッドモード
を線形ＴＥ，ＴＭモード成分に分離することによって、
この構造のＨＥ₁₁₁共振を分析することは可能である。
図３において、共振器素子２７'によって占められる領
域は、以前のように領域「１」と分類され、誘電体の端
部を越えた領域が領域「３」と分類されている。マクス
ウェルの方程式を使用してこれらの領域内の場を分析
し、z=±Ｌ／２での場の接線成分をマッチングすること
によって、以下に示す超越式を導くことは可能である。

【００４９】

【数６】

【００５０】式［２］はTE EVENモード(E_z=0、H_zは面z=
0に対して対称形)に適用される。式[２]のパラメータ
は、次のように定義される。

【００５１】

【数７】

【００５２】但し、λ_cは、形態およびモードの次数に
よって定まるような、特定の導波路モードに対するカッ
トオフ波長であり、ｓは横方向金属壁３７からの距離で
ある。式[１]、[２]は、f₀およびγ_Iの値を決められる
一組の合成式を形成でき、故に、共振周波数の値を提供
する。共振器モデルの正当性を確かめるために、データ
が、高ε且つ低損失共振器のいくつかのサンプルに対し
て測定された。このデータは、理論的予測周波数と測定
共振周波数との間の特に高い相関を示し、以下に示す。

【００５３】

【表１】

【００５４】3〜6GHzの範囲の周波数に対して、これら
のサンプルに対して理論的に予測された共振周波数と、
そのすべてが３８に近いεの値を有する実験的に測定さ
れた共振周波数との間の相関関係は、５％以内である。
図４は、入力および出力結合装置の両方として、電気プ
ローブ１３、１３'を有する典型的なフィルタ１の前端
部図面を示す。図４に示すフィルタ１において、前方端
部壁１１ａは図示されず、故に、第１の空洞共振器３の
内部部品を示すものである。出力空洞共振器７の同調お
よびモード結合ネジは、図示されていない。入力および
出力電気プローブ１３、１３’の間の相対角度θは、図
１に示す実施例の角度分離とは異なることが示されてい
る。入力および出力結合装置（プローブ１３、１３'）
は、０および±１８０°の間で変化する選択可能な角度
で、対応する同調ネジ３１，２９から角度が異なる位置
に配置されている。このように、入力および出力結合装
置（プローブ１３、１３'）は、フィルタ１の壁の周囲
の任意の位置に配置することができる。入力および出力
結合装置の配置におけるこの可変性は、調節可能な入出
力カップリングを有するフィルタ１を提供する。

【００５５】図５は、入力結合装置としてアイリス２
５'を有し、出力結合装置として電気プローブ１３’を
有する典型的なフィルタ１を示す前端部図面である。図
６は、入力および出力空洞共振器３、７のみを示す図５
に示されたフィルタ１の側面図である。アイリス２５'
は、第１の空洞共振器３の前方端部壁１１ａに配置さ
れ、選択された他の内部部品は想像で示されている。出
力空洞共振器７の同調およびモード結合ネジは図示せ
ず、出力電気プローブ１３'のみを示す。入力アイリス
２５'と出力電気プローブ１３'との間の相対角度θは、
図１および図４に示す実施例の角度分離とは異なるよう
に示されている。再び、入力および出力結合装置の配置
の可変性は、調節可能な入出力カップリングを有するフ
ィルタ１を提供する。

【００５６】再び、図４に示されるフィルタ１の実施例
のように、入力および出力結合装置(入力アイリス２
５'、出力プローブ１３')は、０および±１８０゜の間
で変化する選択可能な角度で、対応する同調ネジ３１、
２９から角度的に異なる位置に配置される。このよう
に、入力および出力結合装置(入力アイリス２５'、出力
プローブ１３')は、フィルタ１の壁の周囲の任意の位置
に配置することができる。

【００５７】図７を参照すると、本発明の教示に従って
作られた２-極楕円帯域フィルタ１の帯域性能が示され
ている。図７は、全部で１つのみの空洞共振器を使用す
る、図１の実施例に従ってつくられたフィルタ１の性能
を表すものである。図７の一番上にある曲線は、フィル
タ１による反射減衰量を表す。その下の曲線は、フィル
タ１の振幅、すなわち周波数応答に相当する。

【００５８】フィルタ１の周波数応答は、ほぼ１．１１
４GHzで狭通過帯域領域に集中する非常に拡大された周
波数スケールで示される。周波数応答曲線は、適切な入
出力カップリングに関係する２つの伝送ゼロが存在する
ことを示す。反射電力が、反射減衰量曲線の形で示さ
れ、これは、振幅が対数にプロットされることを除く
と、フィルタのVSWRの曲線と類似している。反射減衰量
曲線は、２極フィルタ１が適切に実現されたことを示
す。

【００５９】図７の曲線によって明らかになる性能は、
非常に高いＱ、低損失設計を表している。従来におい
て、かかる性能は、この周波数帯域の低損失無充填空洞
共振器を使用して得られていた。かかる共振器の電気性
能は、このように完全に満足できるものであるが、その
物理的サイズおよび重量が様々な分野での使用を妨げ、
使用する場合は他のものにあまりにも重い料金を強要し
ていた。しかし、本発明の教示によりかなり小型化され
た空洞共振器において動作する高いＱ、高いｃ共振器素
子を使用すると、最も需要の高い分野での使用を実現さ
せられるほど、そのようにコンパクトで軽量のユニット
での高性能なフィルタの実現が可能となることが予測さ
れる。

【００６０】このように、改善された共振器およびマイ
クロ波フィルタが開示された。本出願の本発明は、本発
明を実施する発明者によって考察されるベストモードか
ら成る好ましい実施例に関して記載されているが、当業
者においては、本発明の範囲から逸脱せずに、様々な変
形が行われ、多数の異なる実施例が導出されることは、
明らかである。このように、記載された実施例は、本発
明の原理の用途を表す多数の実施例のうちのいくつかを
単に列挙するのみであることを理解すべきである。

【００６１】例えば、本発明は、円筒空洞共振器に配置
される円筒共振器素子を使用する実施例において開示さ
れたが、本発明はこの形態に限定されない。実際に、複
合共振器の軸に垂直な正方形の断面などの他の軸方向に
対称な構成を、誘電共振器素子や、空洞共振器論、また
はその両方に対して使用することができる。同様に、現
在の製作技術や熱の問題は、薄壁アルミニウム空洞共振
器構造の使用によって適切に解決されているが、製作技
術および温度補償課題がさらに研究され解決されると、
他の材料が将来より有効になることが予測される。した
がって、様々な構成の多数の装置が、当業者によって、
本発明の範囲内において容易に導出されるものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の特徴を具体化した典型的な楕円機能マ
ルチ空洞共振器フィルタを示す一部が露出する斜視図で
ある。

【図２】本発明によるフィルタ領域の共振周波数を計算
するときに有効な理論モデルを示す断面図である。

【図３】本発明のフィルタ空洞共振器の軸方向の電磁場
分布を計算するときに有効な理論モデルを示す断面図で
ある。

【図４】入力と出力結合装置として電気プローブを有す
る典型的なフィルタの正面図である。

【図５】入力結合装置としてアイリスを有し且つ出力カ
ップリング装置として電気プローブを有する典型的なフ
ィルタを示す正面図である。

【図６】図５のフィルタの側面図である。

【図７】本発明の教示による８-極準楕円フィルタ機能
の通過帯域性能を示すグラフである。

【符号の説明】

１マイクロ波フィルタ３，５，７空洞共振器１３入力結合装置２７誘電体共振器素子２９第１の同調装置３１第２の同調装置３３モード結合装置

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者ジョージエイ．フィージウスコアメリカ合衆国カリフォルニア州 94306 パロアルトニューベリーコート 4268

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】空洞共振器と、高誘電率と高いＱとを有
する材料からなる前記空洞共振器内に配置される誘電体
共振器素子とから成る複合マイクロ波共振器であり、前
記共振器素子は自己共振周波数を有し、前記空洞共振器
の寸法は複合共振器が自己共振周波数近傍の周波数で１
次共振を有するように選択される複合マイクロ波共振器
と、第１の軸に沿って配置されて、複合共振器を第１の共振
モードの共振に同調させる第１の同調装置と、実質的に第１の軸と直交する第２の軸に沿って配置され
て複合共振器を第２の共振モードの共振に同調させる第
２の同調装置と、第１および第２の共振モードの間で結合されるエネルギ
量を調整するモード結合装置と、空洞共振器にマイクロ波エネルギを結合する入力結合装
置であり、第１の同調装置により画定される第１の軸に
対して０〜±１８０゜の角度に配置される入力結合装置
と、空洞共振器から共振エネルギの一部を結合する出力結合
装置であり、第２の同調装置により画定される第２の軸
に対して０〜±１８０゜の角度に配置される出力結合装
置とからなることを特徴とするマイクロ波フィルタ。
【請求項２】空洞共振器は円筒空洞共振器であり、第
１および第２の軸は円筒空洞共振器の軸と交差し、共振
器素子は通常空洞共振器の軸上に配置されることを特徴
とする請求項１に記載のフィルタ。
【請求項３】第１および第２の軸上の共振はＨＥ₁₁₁
モードの共振であることを特徴とする請求項１に記載の
フィルタ。
【請求項４】共振器素子は、円筒形であり、その軸が
空洞共振器の軸と通常同一線上にあることを特徴とする
請求項２に記載のフィルタ。
【請求項５】共振器素子は、ルチル、テトラチタネー
ト（ＢａＴｉ₄Ｏ₉）バリウム、Ｂａ₂Ｔｉ₉Ｏ₂₀、バリウ
ムジルコン酸塩化合物からなるクラスから選択された材
料で作られることを特徴とする請求項１に記載のフィル
タ。
【請求項６】共振器素子は、１ ppm/℃未満の温度係
数を有するように選択され、空洞共振器はインバールで
作られることを特徴とする請求項１に記載のフィルタ。
【請求項７】第１の同調装置は、調節可能であり、共
振周波数を選択自在に変えられることを特徴とする請求
項１に記載のフィルタ。
【請求項８】第１の同調装置は、第１の軸に沿って空
洞共振器の壁から共振器素子に向けて延在する調節自在
サセプタンスを有することを特徴とする請求項７に記載
のフィルタ。
【請求項９】調節自在サセプタンスは、空洞共振器の
壁を通って延在する同調ネジを有することを特徴とする
請求項８に記載のフィルタ。
【請求項１０】モード結合装置は調節可能なサセプタ
ンスを有し、前記調節可能なサセプタンスは第１および
第２の軸から準等角度間隔で配置された第３の軸に沿っ
て配置されていることを特徴とする請求項１に記載のフ
ィルタ。
【請求項１１】モード結合装置は、空洞共振器の壁を
介して共振器素子に向けて第３の軸に沿って延在するモ
ード結合ネジを有し、第３の軸は、第１および第２の軸の各々から実質的に４
５゜だけ角度がずれて配置されていることを特徴とする
請求項１０に記載のフィルタ。
【請求項１２】第１および第２の同調装置とモード結
合装置とは、独立に調節自在なサセプタンスから成り、
前記サセプタンスは、複合共振器の共振周波数の温度変
化を補償するように選択された材料にて作製され、複合
共振器の共振周波数の温度係数を１ppm/℃未満に維持す
ることを特徴とする請求項６に記載のフィルタ。
【請求項１３】材料は、真鍮、インバール、アルミニ
ウムからなるクラスから選択されることを特徴とする請
求項１２に記載のフィルタ。
【請求項１４】入出力結合装置は、電気プローブとア
イリスとを含むグループからそれぞれ選択されることを
特徴とする請求項１に記載のフィルタ。
【請求項１５】第１の空洞共振器と、高誘電率と高い
Ｑとを有する材料からなる第１の空洞共振器内に配置さ
れる第１の誘電体共振器素子とからなる第１の共振器で
あり、第１の誘電体共振器素子は第１の自己共振周波数
を有し、第１の空洞共振器の寸法は、第１共振器が第１
の自己共振周波数の近傍の周波数で１次共振を有するよ
うに選択されている第１の共振器と、第２の空洞共振器と、高誘電率と高いＱとを有する材料
からなる第２の空洞共振器内に配置される第２の誘電体
共振器素子とからなる第２の共振器であり、第２の誘電
体共振器素子は第２の自己共振周波数を有し、第２の空
洞共振器の寸法は第２の共振器が第２の自己共振周波数
の近傍の周波数で１次共振を有するように選択されてい
る第２の共振器と、第１の軸に沿って配置された第１の共振器内にあり第１
の共振器を第１の共振モードの共振に同調させる第１の
同調装置と、第１の軸と実質的に直交する第２の軸に沿って配置され
た第１の共振器内にあり第１の共振器を第２の共振モー
ドの共振に同調させる第２の同調装置と、第３の軸に沿って配置された第２の共振器内にあり第２
の共振器を第３共振モードの共振に同調させる第３同調
装置と、第３の軸と実質的に直交する第４軸に沿って配置された
第２の共振器内にあり第２共振器を第４共振モードの共
振に同調させる第４同調装置と、第１および第２の共振モードの間で結合されるエネルギ
量を調整するために第１の共振器内にある第１のモード
結合装置と、第３及び第４共振モードの間で結合されるエネルギ量を
調整するために第２の共振器内にある第２のモード結合
装置と、マイクロ波エネルギを第１の共振器へと結合する入力結
合装置であり、第１の同調装置により画定される第１の
軸に対して０〜±１８０゜の間の角度で配置される入力
結合装置と、第１および第２の共振器は、第１の共振器から第２の共
振器にエネルギを結合する相互空洞結合装置から成る共
通の壁を共有する第１および第２の共振器と、第２の共振器に対してマイクロ波エネルギを結合する出
力結合装置であり、第４の同調装置により画定される第
４の軸に対して０〜±１８０°の角度に配置される出力
結合装置とからなることを特徴とするマイクロ波フィル
タ。
【請求項１６】入出力結合装置は、電気プローブとア
イリスとを含むグループからそれぞれ選択されることを
特徴とする請求項１５に記載のフィルタ。
【請求項１７】第１および第２の共振器は、ルチル、
テトラチタネート（ＢａＴｉ₄Ｏ₉）バリウム、Ｂａ₂Ｔ
ｉ₉Ｏ₂₀、バリウムジルコン酸化合物からなるクラスか
ら選択される材料で各々作られることを特徴とする請求
項１５に記載のフィルタ。
【請求項１８】第１および第２の共振器素子は、真
鍮、インバール、アルミニウムからなるクラスから選択
された材料で各々作られることを特徴とする請求項１５
に記載のフィルタ。