JPH0611081B2 - 誘電体共振器 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 (a)産業上の利用分野 この発明は、ＴＥ₀₁δモードを利用した誘電体共振器に
関する。

(b)発明の背景 誘電体共振器は、一般に従来の金属空洞共振器に比べて
小型でかつ高いＱを持った共振器が構成でき、特にバン
ドパスフィルタとして用いられる誘電体共振器装置はマ
イクロ波通信装置において、トランスミッタマルチプレ
クサなどに用いられている。

誘電体共振器の構成は、その利用する電磁波モードに応
じて異なり、目的に応じたモードが利用される。例えば
ＴＥ₀₁δは、スプリアス特性があまり良くないが、共振
器のエネルギー集中度が高く、誘電体共振器の損失だけ
で共振器全体の損失が定まり、高いＱを得ることができ
る。ＴＥＭの場合、スプリアス特性は良好であるが、金
属導体の損失が比較的大きく、共振器のＱはそれほど高
くない。ＴＭの場合は、前記２つのモードの中間の特性
を示すが、誘電体共振器とケースとの接合面に実電流が
流れるため、この接合面の導通状態を良好に保たなけれ
ばならない。そこで、セラミックからなる誘電体共振器
とケースとの熱膨張係数の差による機械的歪を吸収する
必要があり、ケースの材料としてメタライズされたセラ
ミックを用いなければならない。従って、加工性の高い
金属をケースとして用い、かつＱを高くするためには、
ＴＥ₀₁δモードの誘電体共振器が用いられる。

(c)従来の技術 ＴＥ₀₁δモードを利用した誘電体共振器として同出願人
が既に出願した（特願昭６２−００８５２５号）スプリ
アス特性が良好で小型且つ比較的大電力用に用いること
のできる誘電体共振器を用いたバンドパスフィルタの構
造を第１２図に示す。図において１，２はこの２つの組
み合わせによって箱型のケースが構成される金属材料か
らなるケース部材であり、ケース部材１の側面には入力
用と出力用のＮ型コネクタ３，４が取り付けられてい
る。金属ケースの内部には中央部に直立する金属板６が
設けられている。この金属板６の両側面と、ケース部材
１の底面にそれぞれ複数のセラミック基板７が組み込ま
れている。このセラミック基板７の表面には、全面に銀
電極が被覆されていて、電気壁を形成している。この電
気壁に接して、円柱状の誘電体共振器を４分割した形状
の誘電体共振器が前記銀電極に焼付固定されている。こ
れらの誘電体共振器はケース内に８個収納されている。

第１３図は上記誘電体共振器のうち１つの誘電体共振器
５７について電流の経路を表している。誘電体共振器５
７の誘電体内には図中破線で示す方向に変位電流ｉ_０が
流れ、セラミック基板の表面に形成された銀電極と誘電
体との接合部分、およびセラミック基板表面の銀電極と
ケース部材の内壁に実電流ｉ_１，ｉ_２がそれぞれ流れ
る。このようにして４分割される前の円柱状の誘電体共
振器と同様のＴＥ₀₁δモードの誘電体共振器として動作
する。

(d)発明が解決しようとする問題点 このようなＴＥ₀₁δモードを利用する誘電体共振器にお
いては、第１３図に示すように、実電流の経路として
は、ケース内壁を経由するよりセラミック基板の銀電極
を経由する方が短いため、セラミック基板の銀電極に流
れる電流ｉ１が多くなり、わずかにケース内壁に漏電流
としてｉ_２が流れることとなる。ところで、セラミック
基板上の銀電極あるいはケース内壁に実電流が流れる
際、ジュール損が生じるが、ジュール損は電流の２乗値
に関与することから、上記電流の集中化は全体としてジ
ュール損を増大させる原因であった。このようにジュー
ル損が増大することにより発熱量が増大するだけでな
く、共振器としてのＱが低下するという問題があった。

この発明の目的は、電流の集中を防止し、全体としてジ
ュール損が小さく、Ｑの高い誘電体共振器を提供するこ
とにある。

(e)問題点を解決するための手段 この発明の誘電体共振器は、１つまたは２つの平面を成
す電気壁に接して誘電体を配置し、前記１つの電気壁上
の直線または前記２つの電気壁の交線を電磁界分布の中
心軸としたＴＥ₀₁δモードの誘電体共振器において、前
記中心軸の近傍に空洞部を設けたことを特徴としてい
る。

(f)作用 この発明の誘電体共振器においては、１つまたは２つの
平面を成す電気壁に接して誘電体を配置することによっ
て、前記１つの電気壁上の直線または前記２つの電気壁
の交線を電磁界分布の中心軸とするＴＥ₀₁δモードの誘
電体共振器が構成され、前記中心軸の近傍に空洞部を設
けたことにより、誘電体内の変位電流の分布が中心軸か
ら遠ざかり、電気壁を流れる実電流の経路が前記空洞部
の無いものに比べて相対的に長くなる。このことにより
電気壁に流れる電流は中心軸近傍に集中することなく分
散され、全体としてジュール損が低減する。従ってＱの
高い誘電体共振器を構成することができる。

(g)実施例 第１図はこの発明の誘電体共振器を用いたバンドパスフ
ィルタの構造を表す一部破断斜視図である。図において
１，２はこの２つの組み合わせによって箱型のケースが
構成される金属材料からなるケース部材であり、ケース
部材１の側面には入力用と出力用のＮ型コネクタ３，４
が取り付けられている。金属ケースの内部には中央部に
直立する金属板６が設けられていて、この金属板６の両
側面と、ケース部材１の底面にそれぞれ複数のセラミッ
ク基板７が組み込まれている。このセラミック基板７の
表面には、全面に銀電極が被覆されている。この電極に
接して、ドーナツ状の誘電体共振器を４分割した如き形
状の誘電体共振器が前記銀電極に焼付固定されている。
このような構造の誘電体共振器では、この電極が存在す
る位置にＴＥ₀₁δモード誘電体共振器における電気壁が
存在するから、４分割される前の円柱状の誘電体共振器
と同様のＴＥ₀₁δモードの誘電体共振器として動作す
る。これらの誘電体共振器はケース内に５１〜５８の８
個（同図においては５２〜５４のみ表れている。）が収
納されている。なお、Ｌは第３段目の共振器５３と第６
段目の共振器（５６）との磁界結合をとるためのルー
プ、Ｓは第４段目の共振器５４と第５段目の共振器（５
５）との磁界結合をとるためのスリットである。

第２図は第１図に示した装置の断面図であり、コネクタ
３，４が形成されている端面に平行な平面の断面を表し
ている。図において５２，５７はそれぞれ誘電体共振器
であり、分割面５２ａ，５２ｂおよび５７ａ，５７ｂは
セラミック基板７，７の垂直面７ａ，７ａおよび水平面
７ｂ，７ｂにそれぞれ接して焼付固定されている。ケー
ス部材２の内壁２ａは誘電体共振器の中心軸を中心とす
る円筒面状に成形されている。図において８は周波数チ
ューニング用調整ネジであり、金属または誘電体から構
成され、図に示すようにケース部材２のコーナー部分に
設けられたネジ穴に螺合されていて、調整ネジ８を回転
させることにより、その先端部分８ａがケース内に突出
され、その突出量によって周波数チューニングが行われ
る。

第２図に示した誘電体共振器５７について特に電流の経
路を第７図に示す。誘電体共振器５７の誘電体内にはド
ーナツ形状の中心軸Ｏを中心軸とする電磁界分布が生
じ、図中波線で示す方向に変位電流ｉ_０が流れ、セラミ
ック基板７表面の銀電極７ａ，７ｂと誘電体の分割面５
７ａ，５７ｂとの接合部分間に実電流ｉ_１が流れ、ケー
ス部材２の内壁２ａに実電流ｉ_２が流れる。図に示すよ
うに誘電体内の変位電流の分布は中心軸Ｏから遠ざかる
ため、導体に流れる電流はｉ_１とｉ_２として分散され、
中心軸近傍に電流が集中することがなく全体としてジュ
ール損の低減を図っている。

ここで、導体におけるジュール損を１／Ｑ′、無負荷Ｑ
をＱ_０、４分割形状でない元の円柱状誘電体共振器にお
ける無負荷ＱをＱ_0oとすれば次の関係が成り立つ。

Ｑ′＝（πμ_０ω／４Ｒ_ｓ）・＜ｒ＞−(1) １／Ｑ_０＝（１／Ｑ_0o）＋（１／Ｑ′）−(2) ここで ＜ｒ＞＝∫ｒＨ^２ｄｒｄｚ／∫Ｈ^２ｄｒｄｚ−(3) 磁界の広がりの平均＜ｒ＞は式(3)の定義に基づいて有
限要素法により計算することができ、第８図に誘電体共
振器とケースの各寸法におけるＱ_０の変化を表す。図か
ら明らかなように中心軸近傍の誘電体を除去した誘電体
共振器を用いることによりＱ_０を高めることができる。
例えばケースの内径Ｒｃ＝５５ｍｍ，誘電体共振器の外
半径Ｒｏを＝４１ｍｍとし、誘電体共振器の内半径Ｒｘ
を外半径Ｒｏの０．３５とすることにより、Ｑ_０は理論
値で７５００となり、実測値として７１００が得られ
た。

尚、誘電体共振器５７等は誘電体損や周辺導体のジュー
ル損により発熱するが、その熱はセラミック基板７と金
属板６を介してケース部材１および２から外部に放熱さ
れる。また、このとき誘電体共振器５７等はケース部材
に接着されたたセラミック基板７を介して固定されてい
るため、金属材料からなるケース部材とセラミック材料
からなる誘電体共振器との熱膨張の差による機械的歪を
吸収することができ、セラミック基板表面の銀電極と誘
電体共振器との接合部分が剥がれることなく、完全なＴ
Ｅ₀₁δモードの励振を維持することが可能となる。

第３図は第１図においてコネクタ３が取り付けられてい
るケース部材の側面に対して直角方向の縦断面を表して
いる。図において５１は第１段目の誘電体共振器であ
り、９はストリップラインの基板であり、１０は入力用
コネクタ３とストリップライン９とを接続するリード線
を表している。第４図はこの部分を表す斜視図であり、
図に示すようにストリップライン９はストリップ基板９
ａとストリップ導体９ｂから構成され、リード線１０は
入力用コネクタ３の中心導体とストリップ導体９ｂとの
間を接続している。第１段目の誘電体共振器５１の底部
には銀電極が形成されていて、ストリップ導体９ｂと直
流的に接続されている。このようにして誘電体共振器と
入力用コネクタとの間が電気的に接続され、同様の回路
が出力側にも構成されている。もちろん外部結合構造は
従来公知の構造、たとえばループを用いた結合構造等種
々の他の構造に置き換えてもよい。

以上のようにして８段の誘電体共振器を用いたバンドパ
スフィルタが構成される。第５図はその等価回路を表し
ている。図においてＱｅ１はコネクタ３と第１段目の誘
電体共振器５１との結合部分、Ｑｅ２は第８段目の誘電
体共振器（５８）とコネクタ４との結合部分をそれぞれ
示している。また、ｋ１２，ｋ２３，ｋ３４，ｋ４５，
ｋ５６，ｋ６７，ｋ７８はそれぞれこの２桁の数字が示
す段数の誘電体共振器間の結合部分を表している。更に
ｋ３６は第１図に示した結合ループＬの存在による第３
段目の誘電体共振器５３と第６段目の誘電体共振器（５
６）との結合部分を表している。

以上に示したバンドパスフィルタの構成材料と各寸法の
具体例、およびその条件における特性例を次に示す。

第６図は各共振器とこれらの共振器を保持するセラミッ
ク基板の材料について表している。第９図はこのような
条件のもとで構成されたバンドパスフィルタの仕様を表
している。このようにして挿入損失が低く、減衰量の大
きなバンドパスフィルタを構成することができる。

尚、上記実施例では誘電体共振器をケースの内壁等に接
触させて固定する際、表面に銀電極を構成したセラミッ
ク基板を用いた例であったが、この発明のように誘電体
共振器と電気壁との接合面の局部に電流が集中すること
がないため、例えば第１０図に示すように金属材料から
なる弾性体等によってある程度ラフに固定することも可
能である。同図において１４は波型に形成された金属板
または金属ネットであり、部分的に半田付けあるいはエ
ポキシ等の合成樹脂系の接着剤を用いて固定する。

また、上記実施例はドーナツ形状の誘電体を４分割した
如き形状の誘電体共振器を用いた例であったが、例えば
第１１図（Ａ），（Ｂ）に示すように電磁界分布の中心
軸近傍の誘電体を部分的に除去して貫通孔Ｈを形成した
誘電体共振器を用いることも可能であり、同様に中心軸
近傍の電流の集中を緩和して電流分布を分散させること
が可能である。

(h)発明の効果 以上のようにこの発明によれば、小型の誘電体共振器お
よびケースを用いて誘電体共振器装置全体を小型化する
ことができ、しかも導体の局部に電流が集中することが
なくジュール損の増大による共振器のＱの低下を防止す
ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の誘電体共振器を用いたバンドパスフ
ィルタの一例を表す部分破断斜視図、第２図は同装置の
縦断面図、第３図は第１図に示した装置の部分縦断面
図、第４図は第３図に示した部分の斜視図、第５図は上
記バンドパスフィルタの等価回路、第６図は上記装置を
構成する共振器とセラミック基板の材料とその特性を表
す図、第７図は誘電体共振器と導体に流れる電流を表す
図、第８図は誘電体共振器とケースの各寸法と無負荷Ｑ
の特性を表す図、第９図は具体的なバンドパスフィルタ
として得られた特性を表す図、第１０図は他の実施例に
係る誘電体共振器の固定構造を表す縦断面図、第１１図
（Ａ），（Ｂ）は他の実施例に係る誘電体共振器の構造
を表す断面図、第１２図は従来の誘電体共振器を用いた
バンドパスフィルタの構造を表す部分破断斜視図、第１
３図はその装置に用いられる誘電体共振器と導体に流れ
る電流を表す図である。 １、２……ケース部材、６……金属板、 ７……セラミック基板、５１〜５８……誘電体共振器。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】１つまたは２つの平面を成す電気壁に接し
   て誘電体を配置し、前記１つの電気壁上の直線または前
   記２つの電気壁の交線を電磁界分布の中心軸としたＴＥ
   ₀₁δモードの誘電体共振器において、前記中心軸の近傍
   に空洞部を設けたことを特徴とする誘電体共振器。