JP4808272B2 - リエントラント型共振空洞、前記空洞を含むフィルタ、および製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、リエントラント（ｒｅ−ｅｎｔｒａｎｔ）型共振空洞、前記空洞を含むフィルタ、および前記空洞を製造する方法に関する。より詳細には、しかし、排他的ではなく、本発明は、表面実装はんだ付けを使用して製造するのに適したリエントラント型共振空洞に関する。

共振空洞は、導電性表面によって境界を付けられ、かつ、その中で、発振電磁界が持続可能である閉囲容積を有するデバイスである。共振空洞は、例えば、フィルタとして使用され、優れたパワー・ハンドリング能力および低いエネルギー損失を有する可能性がある。いくつかの共振空洞が結合されて、精巧な周波数選択性動作を達成してもよい。

共振空洞の幾何学的形状が、その共振周波数を決定するため、高い機械的精度が必要とされ、付加的に、または、別法として、ポスト・プロダクション同調が適用される。例えば、空洞容積内に可変量だけ突出する同調ねじなどの、同調メカニズムが設けられてもよく、また、同調メカニズムは手動で調整される。動作中、周囲温度の変化および／または自己加熱によって、共振空洞のコンポーネント部品の熱膨張が起こり、周波数偏移をもたらす。これは、通常、好ましくない作用であり、温度変動を補償する種々の手段が存在する。

共振空洞は、金属でミリングされるか、または、金属から鋳造されることが多い。動作周波数は、必要とされる空洞のサイズを決定し、マイクロ波範囲では、サイズおよび重量はかなりのものになる。

空洞の重量を減らす１つの知られている方法は、空洞をプラスチックで製造し、その表面を薄い金属フィルムで被覆することである。ミリングが使用されて、プラスチックを形作る場合、十分な精度を達成することが難しい可能性があり、また、表面粗さが問題となる場合がある。成形は、別の手法であるが、ツーリングが高価である。同様に、プラスチック材料は、金属に比べておそらく高い熱膨張係数を有し、膨張作用に起因するより大きな周波数偏移をもたらす可能性がある。プラスチックから製造される共振空洞はまた、金属の共振空洞と比較して頑健性に欠ける場合がある。

プラスチック材料の強度は、共振空洞を所定位置に取付けるのに使用され、また、空洞に出入りするようエネルギーを結合するために入出力伝送手段を接続するための、ねじ接続などの従来の手段にとって不十分である場合がある。金属空洞に関して使用される従来の固定手段に対する代替物は、表面実装はんだ付けである。しかし、プロセス中のはんだフローの予測不可能性は、共振空洞の精密な配置を達成することに対して有害である可能性がある。

Ｔ．Ｊ．Ｍｕｅｌｌｅｒ、「ＳＭＤ−ｔｙｐｅ ４２ＧＨｚ ｗａｖｅｇｕｉｄｅ ｆｉｌｔｅｒ」、Ｐｒｏｃ．ＩＥＥＥ Ｉｎｔｅｒｎ．Ｍｉｃｒｏｗａｖｅ Ｓｙｍｐ．、Ｐｈｉｌａｄｅｌｐｈｉａ、２００３、１０８９〜１０９２頁は、表面実装はんだ付けを使用した導波路フィルタの製造を記載しており、表面実装はんだ付けにおいて、導波路壁のうちの１つを画定するためのボード金属化を使用して、Ｕ形状金属フィルタ部品が、プリント回路板（ＰＣＢ）上ではんだ付けされる。

Ｔ．Ｊ．Ｍｕｅｌｌｅｒ、「ＳＭＤ−ｔｙｐｅ ４２ＧＨｚ ｗａｖｅｇｕｉｄｅ ｆｉｌｔｅｒ」、Ｐｒｏｃ．ＩＥＥＥ Ｉｎｔｅｒｎ．Ｍｉｃｒｏｗａｖｅ Ｓｙｍｐ．、Ｐｈｉｌａｄｅｌｐｈｉａ、２００３、１０８９〜１０９２頁

本発明の態様によれば、リエントラント型共振空洞は、ある容積を画定し、かつ、端面を有するリエントラント型スタブを含む導電性表面を備え、端面と表面の向かい合う部分との間に容量性ギャップが存在し、ギャップ内に位置する誘電性部材を備える。

リエントラント型共振空洞では、空洞容積内の電磁界の電界部分と磁界部分は、本質的に幾何学的に分離される。容量性ギャップのサイズは、共振周波数を規定するときに重要である。相応して、金属化プラスチックは、リエントラント型共振空洞についての材料の適した選択ではないことが考えられる。金属化プラスチック空洞は、通常、大きな熱膨張係数を有し、容量性ギャップのサイズに特に影響を及ぼすことになる。さらに、容量性ギャップの幾何学的形状は、デバイスの強い加速または振動によって影響を受ける可能性があり、金属化プラスチックから作られたリエントラント型空洞について特に問題となることがあるが、金属空洞もまた、ある程度影響を受ける場合がある。

本発明による空洞では、誘電性部材は、容量性ギャップが、熱変動中であっても、必要とされるサイズにより厳密に維持されることを可能にする。誘電性部材は、低誘電損失を有する材料から、適正な仕様の小さな熱膨張係数を持って、また、良好な機械的公差を持って作られることができるため、空洞容積内の電磁界またはその境界付ける金属表面に著しい影響を及ぼさない。誘電性材料についての適した材料は、例えば、アルミナなどのセラミック、ガラス、および石英を含む。

誘電性部材の材料の、熱膨張係数および誘電率の温度誘導変動係数を適切に選択することによって、共振空洞は、温度補償される可能性がある。さらに、誘電性部材は、機械的支持を提供し、ギャップに対する振動および加速の影響を低減し、そのため、共振空洞が、より問題となる状況において輸送され、使用されることを可能にする。

本発明による共振空洞は、例えば、金属であってもよく、または、金属化プラスチックであってよい。

スタブがそこから延在する壁に対向する壁は、実質的に平面であってよいため、スタブの端面に向かい合い、かつ、スタブの端面と容量性ギャップを画定する空洞の部分は、その壁の表面の残りの部分とまったく別物ではない。別の実施形態では、表面の向かい合う部分は、スタブの端面に対向して位置付けられるロストラム（ｒｏｓｔｒｕｍ）である。ロストラムは、ロストラムを囲む空洞壁の表面の残りの部分から突出する領域であり、壁と一体であってよく、または、一体でなくてもよい。ロストラムの厚さは、スタブおよび挿入される誘電性部材と連携して、必要とされるギャップ寸法を提供するように選択される。

本発明の一実施形態では、誘電性部材は球である。この球は、精密に製造することが比較的容易である。しかし、他の代替の幾何学的形状が使用されてもよい。誘電性部材は、例えば、円板、ラグビー・ボール形状、またはロッドであることができる。窪みは、スタブの端面内に含まれてもよく、また、誘電性部材は、窪みによって位置付けられ、保持される。付加的に、または、別法として、窪みは、誘電性部材がその中に位置付けられる表面の向かい合う部分内に含まれてもよい。１つまたは複数の窪みは、さらなる機械的安定性を与える。

スタブがそこから延在する壁は、空洞の他の壁より薄い材料で作られてもよい。これは、ある偏移を提供するためのばね力をスタブに与え、ばね力は、誘電性部材を保持するために、対向する壁に向かう方向にスタブを付勢する。熱膨張作用により、ばね力は、最高温度で最小であり、最低温度で最大になる。

本発明の一実施形態では、共振空洞は、円柱壁、スタブ、および第１端壁を含む、一体成形された金属化成形プラスチック・コンポーネントを備え、スタブは、円柱壁によって囲まれ、円柱壁の長手方向軸に沿う方向に第１端壁から延在する。

本発明の別の態様によれば、マイクロ波フィルタ機構は、本発明による複数のリエントラント型共振空洞を含む。複数の空洞が、共通プリント回路板基材上で作製され、基材に対する金属化が空洞の壁を形成する場合、空洞間の結合は、基材によって担持される導電性トラックによって達成されてもよい。本発明によるフィルタ機構は、例えば、１つまたは複数のフィルタ機構をアンテナ素子に非常に接近して実装することが望まれる電気通信装置において使用するための頑健な構造を依然として提供しながら、重量およびサイズが最小にされなければならない用途について特定の利点を提供する。

本発明の別の態様によれば、リエントラント型共振空洞機構を製造する方法は、端面を有するリエントラント型スタブを備える第１空洞部品を設けるステップと、第２空洞部品を設けるステップと、第１および第２部品を接合するステップと、スタブの端面と第２空洞部品の向かい合う部分との間に誘電性部材を設けるステップとを含む。

本発明は、例えば、はんだ付けを使用して、リエントラント型共振空洞が製造されることを可能にし、それにより、両者の間にはんだを塗布して空洞の１つの部品を別の部品に対して位置付け、固定する。はんだ付けは、このタイプの構築物について適していないことが考えられる。作製中のはんだフローは予測不可能であるため、はんだの肉厚をコントロールすることが難しく、そのため、正確なギャップ・サイズを達成することが不可能である。しかし、本発明による方法を使用することによって、２つの部品の間にはんだがあるために、ギャップ幾何学的形状が変動する可能性があっても、スタブの端面と向かい合う金属表面との間に正確な間隔が達成されることを、誘電性部材が保証する。

本発明による一方法では、窪みが、スタブの端面内に含まれる。誘電性部材は、窪みによって位置付けられ、保持される。付加的に、または、別法として、窪みは、表面の向かい合う部分内に含まれてもよく、窪み内に誘電性部材が位置する。こうした窪みは、例えば、成形中に高い精度で形成され、また、空洞部品の精密な横方向相対配置が、製造中に達成されることを可能にしてもよい。

同様に、本発明は、表面実装技術が、リエントラント型共振空洞を製造するときに使用されることを可能にする。第２空洞部品は、金属化プリント回路板基材であってよいが、他の平面の金属または金属化表面が、代替物として使用されてもよい。誘電性部材は、空洞部品が互いに正確に位置合わせ、かつ、同様に、基材上で横方向に位置決めされるように、はんだ付け中に空洞部品を位置付ける。

本発明による方法は、空洞が金属化プラスチックである場合に、特に有利である。本発明による方法は、再現性、大容積についての比較的安価な製造を提供し、空洞が軽量であり、良好な周波数コントロールが達成可能である。しかし、本発明による方法は、空洞が金属である場合に使用されてもよく、金属は、例えば、プリント回路板または他の適した基材上にはんだ付けされるか、またはろう付けされてもよい。

方法は、ロストラムがない状態のリエントラント型共振空洞について、また、実際にロストラムを含むリエントラント型共振空洞について使用されてもよい。

本発明による一方法では、複数の異なるサイズのロストラムが利用可能であり、その中から、空洞内に含まれる１つのロストラムが選択される。プラスチック部品を成形するためのツールのコストはかなりのものになる。スタブを含むより複雑な部品についてのツーリングは、ロストラムについて要求されるより高価である。同じより複雑な部品をそれぞれの場合に使用するが、空洞の所望の周波数性能に応じて異なるロストラムを選択することによって、異なる共振周波数を有するリエントラント型空洞が提供されてもよい。異なるサイズの誘電性部材もまた、本方法において利用可能にされる。

本発明による別の方法は、複数の空洞を製造するステップと、フィルタ回路を形成するために、複数の空洞を一緒に接続するステップとを含む。

次に本発明のいくつかの方法および実施形態を、例としてのみ、一定比例尺に従って描かれない添付図面を参照して説明する。

本発明による共振空洞の略図である。 本発明による別の共振空洞の略図である。 図１の共振空洞を製造する方法におけるステップの略図である。 図１の共振空洞を製造する方法におけるステップの略図である。 図１の共振空洞を製造する方法におけるステップの略図である。 図１の共振空洞を製造する方法におけるステップの略図である。 本発明による別の方法のステップの略図である。

図１を参照すると、リエントラント型マイクロ波共振空洞１は、各端にそれぞれ第１端壁３および第２端壁４を有する円柱壁２を備えて、それらの壁の間に全体が円柱の容積５を画定する。スタブ６は、第１端壁３から容積５内に延在し、円柱壁２の長手方向軸Ｘ−Ｘに沿って位置する。円柱壁２、第１端壁３、およびスタブ６は、単一成形プラスチック・コンポーネントとして一体に形成され、その内側表面は、銀の層７で金属化される。第１端壁３は、円柱壁２の厚さと比較して比較的薄い。第２端壁４は、プリント回路板基材９によって担持される金属化層８によって画定される。円柱壁２は、デバイスの作製中に、表面実装はんだ付けプロセスにおいて塗布されたはんだ１０によって金属化層８に接合される。

スタブ６の端面１１は、端面１１と第２端壁４の向かい合う部分１３との間にギャップ１２を画定する。第２端壁４の向かい合う部分１３は、本実施形態においてスタブ６の直径と実質的に同じ直径であり、かつ、高さ１５を有するロストラム１４によって形成される。ロストラム１４は、空洞１の他の部品と一体でなく、かつ、基材９上で所定場所にはんだ付けされた金属化成形プラスチック・ピースである。誘電性球１６は、プローブ６の端１１とロストラム１４との間に位置付けられる。誘電性球１６を保持し、位置付けるために、スタブ６の端面１１内に窪み１１ａが、また、ロストラム１４内に窪み１４ａが存在する。

空洞１は、基材９内の銅トラック１７を介した信号エネルギー用の入力部および別の銅トラック１８を介した出力部を有する。これらの銅トラックが使用されて、空洞容積５に出入りするようにエネルギーが結合され、また、空洞１が、例えば、フィルタを形成するために、他の同様な空洞に容易に結合することが可能になる。

動作中、熱膨張によって、スタブ６は、より可撓性がある薄い第１端壁３によって、誘電性球１６の方に押しやられる。誘電性球１６は、共振空洞１の動作中に、精密なギャップ距離１２が維持されることを可能にし、また、性能に対する振動の影響を低減するために、スタブ６を安定化する。

図２を参照すると、別のリエントラント型共振空洞は、図１に示すリエントラント型共振空洞と同じであり、プリント回路板基材２０にはんだ付けされた金属化プラスチック成形部品１９を備える。しかし、この設計には、ロストラムはまったく含まれない。スタブ２４の端２３に向かい合う第２空洞端壁２２の部分２１は、基材２０とスタブ２４の端２３との間にギャップ２５を画定する。向かい合う部分２１は、基材２０上の金属化層２６と連続し、かつ、金属化層２６の一部である。誘電性球２７は、向かい合う部分２１の金属化層２６とスタブ２４の端２３との間に位置付けられる。同様に、この実施形態では、スナップ２８および２９は、作製中に、基材２０に対して成形部品１９を位置付けるのを補助する。はんだ３０は、成形部品１９を基材２０に接合する。誘電性球２７と金属化層２６との間には、はんだは含まれない。

図１および２に示す共振空洞は、成形プラスチックのコンポーネントを備えるが、共振空洞は、別の技法、例えば、ミリングによって作製されることができ、または、別法として、完全に金属から作られることができる。

図１の共振空洞を製造する方法は、ここで、図３を参照して述べられる。

射出成形が使用されて、図３（ａ）に示すプラスチック・コンポーネント３２が作られ、プラスチック・コンポーネント３２は、完成した共振空洞では、円柱壁２、第１端壁３、および端面１１内に窪み１１ａを有するスタブ６を含む。完成デバイス内の空洞の内部にあることになる表面に金属化が適用される。金属化は、噴霧によって適用されるが、電気的目的のために完全完璧なコーティングを達成するための他の方法も可能である。

スタブ６の端面１１と第２端壁の向かい合う部分との間のギャップは、空洞のキャパシタンス、したがって、共振周波数を規定するときに重要である。適したロストラムは、図３（ｂ）に示すように、直径および／または高さが変動する、異なる寸法のセット３３から選択される。ロストラムの寸法は、完成デバイスにおける容量性ギャップを画定する。この場合、３つの考えられる選択のうちの第２のロストラム１４が選択される。

図３（ｃ）を参照すると、誘電性球１６は、窪み１４ａにおいて選択されたロストラム１４に接着され、次に、ロストラム１４は、プリント回路板基材９上のはんだパッド３４上に配置される。温度が上昇して、はんだが、流れ、ロストラム１４を所定位置に固定する。その後、プラスチック・コンポーネント３２は、円柱壁２に対応するはんだパッド上の所定位置に配置され、スタブ６の端面１１内の窪み１１ａは誘電性球１６を受け取る。窪み１４ａおよび１１ａは、誘電性球１６を保持し、位置付け、コンポーネント３２とロストラム１４の精密な横方向相対配置を可能にする。コンポーネント３２がはんだ１０によって基材９に接合される図１に示すように、組立て体は、はんだ付けされて、完成した空洞が得られる。

１回に１つの空洞を製造する方法が使用されてもよい。しかし、その方法の拡張では、複数の空洞が、その方法を使用して同時に作製される。図３（ｄ）は、いくつかの共振空洞３５の配置を示し、いくつかの共振空洞３５は、共通基材３６であって、共通基材３６を貫通する接続トラック３７を有する、共通基材３６上で製造されて、フィルタ機構３８を提供する。接続トラックは、フィルタ機構３８に含まれる空洞間で信号についての結合を提供して、必要とされる周波数選択性動作が得られる。

図４は、図３（ｃ）に示すステップに対する代替の方法ステップを示す。誘電性球１６は、表面実装はんだ付けのために基材上に提供される前に、プラスチック・コンポーネント３２に接着される。このステップは、ロストラムを含むデバイスと含まないデバイスの両方に適する。

本発明は、本発明の本質的な特徴から逸脱することなく、他の特定の形態で具現化され、また他の方法によって実行されてもよい。述べられる実施形態および方法は、すべての点で、制限的でなく、単に例証的であるとして考えられる。したがって、本発明の範囲は、先の説明によってではなく、添付の特許請求の範囲によって指示される。特許請求の範囲の均等性の意味および範囲内に入るすべての変更は、特許請求の範囲の範囲内に包含される。

Claims (9)

1. リエントラント型共振空洞であって、ある容積を画定し、かつ、端面を有するリエントラント型スタブを含む導電性表面を備え、前記端面と前記表面の向かい合う部分との間に容量性ギャップが存在し、前記ギャップ内に位置する誘電性部材を備え、
   さらに、前記スタブがそこから延在する壁を含み、前記壁は、前記空洞の他の壁より薄いため、前記向かい合う部分に向かう方向に前記スタブを偏移させるものである、空洞。
2. 円柱壁、前記スタブ、および第１端壁を含む、一体成形された金属化プラスチック・コンポーネントを備え、前記スタブは、前記円柱壁によって囲まれ、前記円柱壁の長手方向軸に沿う方向に前記第１端壁から延在する請求項１に記載の空洞。
3. 前記導電性表面は、前記第１端壁に対向し、かつ、プリント回路板上で金属化層によって画定される第２端壁を含む請求項２に記載の空洞。
4. 前記誘電性部材は球である請求項１、２、または３に記載の空洞。
5. 前記表面の前記向かい合う部分は、ロストラムの表面であり、前記向かい合う部分は、前記向かい合う部分を囲む前記導電性表面と異なる平面内にある請求項１乃至４のいずれか１項に記載の空洞。
6. 前記スタブの前記端面内に窪みを含み、前記窪み内に前記誘電性部材が位置する請求項１乃至５のいずれか１項に記載の空洞。
7. 前記表面の前記向かい合う部分内に窪みを含み、前記窪み内に前記誘電性部材が位置する請求項１乃至６のいずれか１項に記載の空洞。
8. その中の少なくとも１つが、請求項１乃至７のいずれか１項に記載される、複数のリエントラント型共振空洞を含むフィルタ機構。
9. 前記複数のリエントラント型共振空洞は、共通基材上に担持される請求項８に記載のフィルタ機構。

Images