JPH0419721B2 - - Google Patents

Description

請求の範囲 １ 矩形断面を有し４つの細長い導電壁を有する
導波管内に配置された誘電体共振器を具備し、導
波管の寸法が、電磁エネルギがカツトオフされ誘
電体共振器の存在なしにはフイルタ中を伝搬しな
いように十分小さく設定されている、電磁エネル
ギを濾波するための狭帯域フイルタにおいて、前
記導波管が、各々１つの誘電体共振器を含む少な
くとも２つの活動領域を備え、各隣接する活動領
域が、３つの導波管壁壁と連続的に衝合しかつ導
波管断面を制限して、残りの衝合しない導波管壁
の近傍に、隣接する活動領域間において電磁エネ
ルギを通過させるための結合開口を形成する導電
性仕切りを含む手段により結合されており、スプ
リアスモードのＥベクトルに平行である１組の細
長い導電性モード抑制ロツドの１つが、各結合開
口を２分し、前記導波管壁の残りの１つを前記結
合開口と対応する仕切りと機械的および電気的に
結合して、第１の１対の対向する導波管壁の中間
において、第２の１対の対向する導波管壁間に電
気的短絡路を形成し、それにより前記Ｅベクトル
を前記第２の１対の対向する導波管壁に電気的に
短絡して、前記スプリアスモードを不能化し、そ
して各誘電体共振器の電磁エネルギが、TE₀₁δモ
ードで伝搬することを特徴とする狭帯域バンドパ
スフイルタ。

２ 導波管の矩形断面が、前記第２の１対の導波
管壁間で測定されて、比較的小さいカツトオフデ
イメンシヨン寸法を有し、前記第１の１対の導波
管壁間で測定されて、カツトオフデイメンシヨン
に直交する比較的大きな横方向デイメンシヨンを
有し、各誘電体の主軸線が、各モード抑制ロツド
に実質的に平行であり、前記誘電体共振器が、導
波管内に横方向にすなわち、各共振器の主軸線が
カツトオフデイメンシヨンに平行となるように配
置される請求の範囲第１項記載の狭帯域バンドパ
スフイルタ。

３ 誘電体共振器が、温度の増大により惹起され
る導波管壁の膨張と関連される周波数ドリフトを
補償する熱膨張係数を有するように選択される請
求の範囲第１項記載の狭帯域バンドパスフイル
タ。

４ 各誘電体共振器が、主軸線を有するシリンダ
の形状を有し、そして、導波管壁を貫通して突出
し前記の対応する共振器の主軸線に沿つてほぼ整
列されていて、前記の対応する共振器と関連する
磁界を選択的に擾乱するための手段を、各誘電体
共振器と関連して備えており、該手段が、フイル
タの共振周波数を増大させる働きをする請求の範
囲第１項記載の狭帯域バンドパスフイルタ。

５ 導波管の長さデイメンシヨンが伝搬デイメン
シヨン、すなわち電磁エネルギが伝搬する方向の
デイメンシヨンであり、該伝搬デイメンシヨンに
直交する導波管断面が、前記第２の１対の導波管
壁間で測定されるカツトオフ寸法と、前記第１の
１対の導波管壁間で測定され、前記カツトオフデ
イメンシヨンに直交し、かつ該デイメンシヨンよ
り長い横方向デイメンシヨンより成り、各活動領
域内において、前記第２の１対の導波管壁の前記
活動領域と関連する２つの矩形部分への対応する
誘電体共振器の投影が、前記第２の１対の導波管
壁の前記２つの矩形部分に関して中心に配置され
る請求の範囲第項１記載の狭帯域バンドパスフイ
ルタ。

〔技術分野〕

本発明は、狭帯域の周波数のみが通過するよう
に電気磁気的エネルギを濾波する技術の分野に関
する。

〔背景技術〕

米国特許第４，138，652号は、消散モードで動
作する誘電体共振器を採用した導波管を開示して
いる。本発明は、次の点でこの特許に開示される
ものと異なる。すなわち、(1)モード制御ロツド１
０が、誘電体共振器６の主軸線に沿つてでなく、
共振器６の中間に配置されている。(2)モード制御
ロツド１０が対向する導波管壁２，３を電気的に
接続しているが、上記特許のモード抑制ロツド
は、下部導波管壁のみに接続されている。(3)任意
の受動的結合手段４０が使用されており、この結
合手段において、導波管１の断面は、共振器６が
位置する部分３０におけるよりも小さくなつてい
る。本発明の利点は下記のごとくである。(1)共振
器６または取付リング７の穿孔が必要とされない
から、機械的形態がより単純である。(2)伝搬する
スプリアスモードが、共振器６においてでなく導
波管１において抑制される。したがつて、共振器
６は抑制ロツド１０により影響を受けることが少
ない。(3)共振器６のＱフアクタが高い（抑制ロツ
ドが、上記特許におけるように誘導体共振器の中
心に配置されていて、上部および下部導波管壁に
短絡されていたとすると、Ｑフアクタの由々しい
劣化が起こる）。(4)標準化導波管ハウジングを使
用することができる。(5)受動的結合手段４０によ
る活動部分間の結合のより精確な調節が可能であ
る。(6)低価格である。

米国特許第４，124，830号は、本発明における
ごとく消散モードでなく伝搬モードで動作する導
波管フイルタを開示している。このフイルタは、
本発明におけるごとくバンドパスフイルタでな
く、バンドストツプフイルタである。

米国特許第３，495，152号は、本発明における
ごとく消散モードでなく、伝搬モードで動作する
導波管を開示している。本発明の誘電体共振器の
示唆はなされていない。

その他の周知例として、米国特許第４，251，
787号、第４，321，568号および４，453，146号
がある。

〔発明の開示〕

本発明は、４つの細長い側部２，３，，４，５
を有する導電性の中空の導波管より成る極く狭帯
域のバンドパスフイルタより成る。導波管１は、
カツトオフ以下に寸法設定されている。こゝで、
カツトオフ周波数は、共振器６のような内部構造
体の不存在下において導波管１に伝搬が起こり得
る最低の周波数である。それゆえ、「カツトオフ
以下に寸法設定される」とは、誘電体共振器６の
不存在下では、選択された周波数にて伝搬が起こ
り得ぬほど導波管１が十分に小さいことを意味す
る。導波管１内に２またはそれ以上の誘電体共振
器が存在すると、導波管１内において消散モード
で伝搬が起こることが保証される。

細長い導電性のロツド１０が、各１対の隣接す
る誘電体共振器６の中間で対向する導波管壁２，
３を接続する。

本発明の好ましい具体例は以下に説明される
が、この具体例において、誘電体共振器６は、導
波管１内に横方向に配向される。各共振器６の主
軸は、各モード抑制ロツド１０にほゞ平行であ
る。フイルタの物理的寸法を縮めることは宇宙船
やその他の応用において非常に重要であるが、こ
の短縮の目的のため、導波管１の各１対の隣接す
る活動部分３０（すなわち共振器６が存在する部
分）は、受動的結合手段４０で分離されている。
この結合手段において、導波管１の断面は活動部
分３０より小さい。例えば、受動的結合手段４０
として導電性仕切り１２が使用され、隣接する共
振器６間の磁気的結合を可能にしながら若干の減
衰をもたらす。

共振器６は、熱的補償を提供するように設計で
きる。共振周波数の微細な増加を行なわせるた
め、誘電体擾乱手段９を各共振器６の主軸に沿つ
てほゞ整列させることができる。

【図面の簡単な説明】

本発明のこれらおよびその他の詳細な特定の目
的、および特徴は、以下の明細書の説明から明ら
かとなろう。

第１図は本発明の３極の具体例の一部切除の斜
視図である。

第２図は本発明の４極組込みの具体例に対する
挿入損失およびもどり損失のグラフである。

〔本発明を実施するための最良のモード〕

極度に狭帯域のバンドパスフイルタは、極く密
接離間した信号の阻止を必要とする複数周波数発
生装置に応用が見出される。従来、利用可能な実
施形態は、損失が大きすぎるか（低Ｑ要素）、特
に低周波数では（例えば高Ｑ導波管キヤビテイで
は）重すぎまたかさ高となり過ぎるので、この種
のフイルタの使用は考えられなかつた。本発明は
この問題を成功裡に解決し、多くの場合周波数発
生装置の大幅な簡単化をもたらした。

普通、極く狭帯域のバンドパスフイルタは、過
度の損失（フイルタの帯域幅に直接関係づけられ
る）および厄介な温度安定性の問題を生じた。何
故ならば、金属やGFRP（グラフアイト繊維補強
プラスチツク）キヤビテイは、普通温度によく追
従し得ないからである。他方、本発明において
は、低減された寸法の導波管１、誘電体共振器
６、共振器６間の受動的結合手段４０およびスプ
リアスモード抑制ロツド１０の使用で、低減され
た寸法および重量、低価格および顕著な温度安定
性と相俟つて穏当な挿入損失を示すフイルタがも
たらされる。

例示される好ましい具体例において、単一モー
ドTE₁₀消散エネルギが、導波管１を伝搬する
（共振器６内においてTE₀₁δ）。フイルタは単一動
作周波数の近傍内で使用されることが仮定される
から、技巧を凝らした楕円関数レスポンスは必要
としない。本明細書に開示される具体例の基本的
な電気的特性は、チエビシエフレスポンスに対す
る標準ステツプに従う。必要とされる結合係数が
計算される。カツトオフ以下における方形波導波
管内の誘電体共振器間の結合のための誘導式を利
用すると、共振器間の間隔が決定される。電気的
設計により必要とされる結合係数の値は、容易に
測定され、位相法を使つて究極的に調節される。

代表的フイルタ形態は、第１図に提示されてい
る。導波管１は、方形断面を有する。壁部２およ
び３は相対的に幅広であり、壁部４および５は相
対的に狭い。幅広の導波管壁３の一方に関して離
間関係で共振器６を機械的に支持するため、低誘
電率、低損失のリング７が使用される。外側の環
境に対してそれぞれ入力および出力結合のため、
電気的（SMA）コネクタ１３，２３が使用され
る。入力コネクタ１３は、狭い導波管壁５の一方
に取り付けられる取付けフランジ１５、入力ケー
ブル（図示せず）の外部遮蔽を導波管１に接地接
続するための手段を提供するためのリング１４、
および入力ケーブルの中心導体の電磁エネルギを
導波管１に導くための細長い導電性プローブ１６
より成る。所望モードのＥベクトルは、第１図に
開示されるようにプローブ１６に平行である。Ｈ
ベクトルは、導波管１キヤビテイ内のＥベクトル
に直交する一連の同心リングを形成する。

１組の３つの直交軸線、すなわち伝搬軸線、横
軸線およびカツトオフ軸は、第１図に示されてい
る。伝搬軸線は、導波管１の長軸線に平行であ
り、電磁エネルギが導波管１内を伝搬する方向と
一致する。横軸線は、伝搬軸線に直交しており、
所望のモードの自由空間キヤビテイＥベクトルに
平行である。２つの幅広の導波管壁２，３の幅
は、横軸線に沿つて測定される。カツトオフ軸線
は、伝搬軸線と横軸線とに直交している。２つの
狭い導波管壁４，５の幅は、カツトオフ軸線に沿
つて測定される。自由空間キヤビテイＥベクトル
に直交するこの幅は、導波管１のカツトオフ周波
数を決定する。

共振器６は、導波管内に横方向に配向される。
これは、各共振器６の主軸がカツトオフ軸線に平
行であることを意味する。第１図は、３つの共振
器６が存在し、フイルタが３極フイルタである具
体例を示している。共振器６は、円筒形状として
例示している。しかしながら、共振器６は、その
主軸線がカツトオフ軸線に平行であるかぎり、矩
形プリズムのような他の形状を有してもよい。

各共振器６内において、所望モードの各Ｅベク
トルは、共振器６の主軸線に直交する平面内に存
する同心円の形式にある。隣接する共振器６間の
結合は、第１図の円形破線のＨベクトル線により
例示されるように磁気的である。共振器６は、好
ましくは、実質的に同一で、伝搬および横方向デ
イメンシヨンに関してそれらの対応する活動部分
３０内に中心を置かれるのがよい。

極度に狭帯域のフイルタにおいては、共振器６
は極く弱く結合される。それゆえ、カツトオフ以
下の開放導波管１が使用される場合、共振器６間
の間隔は相当大きくなろう。フイルタの寸法を減
じ、共振器６間の間隔以外の手段により結合の制
御を行なう（これは同調を大幅に容易にする）た
め、受動的結合手段４０が、カツトオフ以下の導
波管１に、隣接共振器６の各対間に任意的に導入
される。各モード制御ロツド１０は、伝搬および
横方向デイメンシヨンに関して、対応する受動的
結合手段４０内に中心を置かれる。受動的結合手
段４０は、活動領域３０と比較して導波管１の断
面を縮小する任意の手段とし得る。受動的結合手
段４０は、所望程度の誘導結合を許容しつゝエネ
ルギの若干を減衰させる。受動的結合手段４０
が、第１図に例示されるごとく仕切り１２により
形成される場合、仕切り１２は、導波管１の断面
に位置可変、寸法可変の開口を形成し得る。何故
ならば、この種の平坦な仕切り１２は、容易に、
導波管１の標準化を許容しつゝ可変制御し得る仕
切高さを有するように作ることができるからであ
る。この種の仕切り１２の使用は、約30％フイル
タの寸法を減ずることができる。第１図におい
て、仕切り１２により形成される導波管１の断面
内の開口は、導波管壁１の近傍にあるものとして
例示されている。仕切り１２は導電性であり、モ
ード抑制ロツド１０と組み合わされて、幅広導波
管壁２，３間に導電路が形成されるようになされ
ている。スプリアスモードのＥベクトルはモード
制御ロツド１０に平行であり、それにより導波管
壁２，３に電気的に短絡され、前記スプリアスモ
ードを不能にする。

フランジ１１は、モード制御ロツド１０および
誘電体同調手段９に対して追加の機械的支持体を
提供する。各誘電体同調手段９は、対応する誘電
体共振器６の主軸線とほゞ整列され、その中の誘
電体同調ねじ８と係合する。誘電体同調手段９を
回転することにより、対応する共振器６と関連す
る磁界は撹乱され、共振周波数にそれに対応する
小さな増加をもたらす。

エネルギは、出力コネクタ２３により導波管１
を出る。出力コネクタ２３は、入力コネクタ１３
と同一のSMAコネクタとして例示されている。
出力コネクタ２３は、取付フランジ２５と外部接
地リング２４を有する。

２つの形式の高特性のセラミツクが共振器６に
適当である。すなわち、錫酸ジルコニウム
（ZrSnTiO₄）およびペロブスキー石混合材料
（BaNiTaO₃−BaZrZnTaO₃）である。ペルブス
キー石混合材料は、そのＱおよび誘電率に起因し
て、高周波の応用例えば4GHzおよびそれ以上に
一層適当である。この材料の不利益は、その密度
であり、ペロブスキー石混合材料より成る共振器
６は、錫酸ジルコニウムを使用するものより50％
重い。錫酸ジルコニウムは、6GHzまで容認し得
る特性を示し、2GHz以下の周波数にて良好な結
果をもたらす。

支持リング７に対しては、交叉結合ポリスチレ
ン（Rexolite）、窒化ほう素および二酸化けい素
フオーム（スペースシヤトル熱タイル）が満足で
きる特性を与える。ポリスチレンフオームは、電
気的に優れているが、機械的特性が乏しく、その
閉鎖された気泡構造のためガス放出特性が乏しい
ため、不適当である。ガス放出特性は、宇宙にお
けるごとく真空中で使用するのを不適にする。ア
ルミナおよびフオーステライトは、比較的高い、
変化する誘電率を有し、セラミツク誘電体共振器
６の安定な特性に相当の劣化をもたらす。二酸化
けい素（SiO₂）は、特に12GHzのような高周波に
て優れた電気特性を示す。この材料は加工し易い
がもろく、取扱いおよび組立中余分の注意が払れ
なければならない。また、その絶縁特性に起因し
て、真空中では、入力マルチプレクササテライト
フイルタのような低電力の応用のみが可能であ
る。

実験的２極、３極および４極フイルタを組み立
て、宇宙の応用分野について広範囲に試験した。
認識され得る周波数（約3GHz）に対して隔絶さ
れた誘電体共振器６は、優れた無負荷Ｑフアクタ
を示した。ZrSnTiO₄セラミツク、例えば村田製
作所製Resomics 04Cで、約15000のＱが得られ
た。このような優れたＱ値は、取付装置や金属導
波管壁２〜５の存在により劣化される。本明細書
に開示される低減された寸法の導波管１の場合、
Ｑフアクタは普通800〜9000の値に劣化された。
これは、挿入損失要求に十二分に適合した。

単一モードフイルタにおける重要フアクタの１
つは、厄介なスプリアスモードの存在であり、そ
してこのモードはフイルタの帯域幅に非常に接近
して表われることが多い。カツトオフ以下の導波
管１、受動的結合手段４０およびモード抑制ロツ
ド１０の使用は、非常に良好な帯域外特性をもた
らした。

商業的に入手し得る取付け用アセンブリを利用
して導波管１内に取り付けられた誘電体共振器６
は、優れた機械的および電気的特性を示した。フ
イルタは、高レベルの正弦波的およびランダムな
変動を受けたが、周波数シフトは検出されなかつ
た。

４極組込みフイルタの１つの代表的レスポンス
が第２図に示してある。導波管１に対して不メツ
キのアルミニウムハウジングが使用されたという
事実に拘らず、理論との優れた相関性、ならびに
約8000の等価なＱが得られた。挿入損失（減衰）
は、３dB挿入損失帯域幅が約2.04MHzであるこ
とを示している。もどり損失曲線は、15dBに等
しい反射もどり損失幅が1.76MHzであることを示
している。通常帯域は、フイルタがＳ帯域で動作
することを考慮して極めて狭い。

本明細書に開示される誘電体共振器６の利点の
１つは、優れた温度特性であり、これは共振器６
の材料組成により調節し得る。異なる温度周波数
係数（例えば−２、０、＋２、＋４）を有する共振
器６を商業的に入手し得、これにより導波管１の
温度の影響を殆んど完全に補償できる。例えば、
アルミニウム導波管１は単位度Ｃ当り23ppmで膨
張する。これは、周波数に関して−4ppm／℃で
あるかのごとき影響を共振器６に対して有するか
ら、この周波数シフトを補償するためには、誘電
体共振器６に対して＋４の熱膨張係数が選択され
る。Ｓバンドで組み込まれた４極フイルタの１つ
において、最大周波数シフトは、−10℃〜＋61℃
の温度範囲にわたり約60KHzであつた。これは殆
んど完全な温度保証を示している。

上の説明は、好ましい具体例の動作を例示する
ためになされたものであり、本発明の技術思想を
限定することを意味するものでない、本発明の技
術思想は、以下の請求の範囲に依つてのみ限定さ
れるものである。技術に精通したものであれば、
上述の論述から多くの変更が明らかであろう。