JPH0659001B2 - 誘電体共振器装置 - 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、小型の誘電体共振器装置に関する。

(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 従来のＴＥ₀₁δモードを利用した誘電体共振器として、
密閉した金属ケース内に、円柱状の例えばＴｉＯ_２系の
セラミック材料からなる誘電体共振器を支持台に固定し
た誘電体共振器が用いられている。この種の誘電体共振
器は、前述したように誘電体セラミックを用いるため、
金属空洞共振器と比べて小型に構成でき、また、電磁エ
ネルギーが誘電体共振器内に十分に集中しているため、
高いＱをもった共振器が構成できるという特徴がある。

従来、このような誘電体共振器を同一ケース内に複数個
配列してバンドパスフィルタを構成する際、前述の円柱
状誘電体共振器を金属ケース内の平面上に配列して、横
方向に誘導結合させている。ところが、このような配列
方法によるフィルタはＥＨ₁₁δ，ＴＭ₀₁δ，ＨＥ₁₁δな
どの非対称モードが励振されやすく、スプリアス特性が
悪いという欠点を備えている。

そこで、複数の円柱状の誘電体共振器を、各誘電体共振
器の中心軸を共通にして、中心軸方向に配列したものも
開発されている。第１６図はその装置の構造を表す部分
破断斜視図である。図において、２１，２２，２３，２
４は円柱状の誘電体共振器を表し、金属ケース３０内
に、リング状のスペーサ３１を介して固定されている。

また、円柱状の誘電体共振器を扇状にし、電磁波モード
の対称性を利用して、装置全体を小型化しかつ放熱性を
高めた誘電体共振器装置も開発されている。第１７図
（Ａ），（Ｂ）はその装置の内部構造を表す上面図およ
び正面図である。図において５１〜５４は円柱状の誘電
体共振器が、その中心軸を含む平面で切断されたごとき
形状を有する誘電体共振器であり、その切断面は金属ケ
ース４０に接して、固定されている。なお、４３，４５
は入出力コネクタ、４２，４４は結合回路を構成するロ
ッドを表している。

(d)発明が解決しようとする問題点 第１６図に示した従来の誘電体共振器装置においては、
前述の非対称モードが励振されにくく、スプリアス特性
が良好である特徴を有するが、スペーサ３１として、合
成樹脂を用いれば、強度の面で信頼性が低く、また、ｔ
ａｎδが低いため、無負荷Ｑ_０が低下する問題がある。
スペーサとしてセラミック材料を用いれば、金属ケース
３０との熱膨張係数が大きく異なり、この熱膨張による
機械的歪を吸収することが困難である。第１７図
（Ａ），（Ｂ）に示した誘電体共振器装置においては、
各誘電体共振器を金属ケースの内壁に間隔をあけずに接
触させているので、全体が小型化し、また、放熱効果が
高くなるが、複数の円柱状誘電体共振器を平面上に配列
した従来の誘電体共振器装置と同様に、非対称モードが
励振されやすく、スプリアス特性が悪く、更に設計性が
悪いという問題があった。

そこで、この発明は、非対称モードがさらに励振されに
くく、しかも小型で放熱効果を高め、総合的に特性の優
れた誘電体共振器装置を提供することを目的としてい
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装置は、１つの電気壁を成す平
面上の直線または２つの電気壁を成す平面が交わってで
きる直線を電磁界分布の中心軸として、前記電気壁にそ
れぞれ誘電体を接して成るＴＥ₀₁δモードの複数の誘電
体共振器を、隣接する誘電体共振器間が結合するように
金属ケース内に配置収納し、該ケースの外面に信号入出
力部を設け、前記複数の誘電体共振器のうち所定の誘電
体共振器に結合する結合部を前記信号入出力部に接続し
た誘電体共振器装置において、 それぞれ前記誘電体の熱膨張係数に同一もしくは近似す
る熱膨張係数を有し、表面に前記電気壁としての電極膜
を形成したセラミック板を前記誘電体ごとに用い、該セ
ラミック板の電極膜に前記誘電体をそれぞれ結合し、複
数の誘電体の電磁界分布の中心軸を一致させるととも
に、前記セラミック板を前記ケースの内壁面または前記
ケース内に設けた金属壁面に個別に接合したことを特徴
としている。

(f)作用 この発明の誘電体共振器装置においては、各誘電体共振
器は、１もしくは２つの平面部分に電気壁が存在してい
るため、これらの電気壁で電磁波モードのイメージが生
成され、従来の例えば円柱状誘電体共振器と同様に作用
する。各誘電体共振器は、それらの各軸が共通に配列さ
れているため、ＥＨ₁₁δ，ＴＭ₀₁δ，ＨＥ₁₁δなどの非
対称モードが励振されにくく、スプリアス特性が良好と
なる。さらに、各小型誘電体共振器は、従来の励えば円
柱状誘電体共振器と比べて、小型であり、１もしくは２
つの平面部分に導体面が接しているため、放熱効果が高
く、全体に小型化された誘電体共振器装置が構成され
る。しかも、各誘電体はその誘電体に同一もしくは近似
する熱膨張係数を有するセラミック板の表面に形成され
た電極膜に接合するようにしたため、例えば金属板に誘
電体を直接接合した場合に比較して、熱膨張係数の差に
起因する接合部に生じる応力歪は充分小さい。また、複
数の誘電体の各々をセラミック板の電極膜に接合し、各
セラミック板をケースの内壁面またはケース内の金属壁
面に個別に接合するようにしたことにより、個々のセラ
ミック板を比較的小さく形成することができるため、例
えば１枚のセラミック板に複数の誘電体を接合する場合
に比較して、セラミック成型時のそりや歪み等が大きく
ならず、個々のセラミック板を精度よく作成することが
でき、ケース内に誘電体を高精度に配置することができ
る。その上、誘電体はセラミック板に焼付固定された状
態でケース内に配置されるが、誘電体ごとにセラミック
板が分離しているため、ケース内に配置する際、誘電体
間の間隔を設定調整することもできる。

(g)実施例 第１図はこの発明の誘電体共振器装置の構造を表す一部
破断斜視図である。図において１，２はこの二つの組み
合わせによって箱型のケースが構成されるケース部材で
あり、鉄やアルミ合金等の金属材料からなる。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
を四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５１
〜５８（同図においては５２〜５４のみ現れている）が
収納されている。

第２図は第１図に示した装置の部分断面図であり、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の
一部を表している。図において５２は一つの誘電体共振
器を表し、その中心軸を含む一つの外側平面５２ａが前
記セラミック基板７の垂直面に接し、他の外側平面５２
ｂはセラミック基板７の水平面に接して固定されてい
る。ケース部材２の内壁２ａは誘電体共振器の中心軸を
中心とする円筒面に成形されている。なお、この円筒面
２ａは特性計算を容易にするために形成されるものであ
り、必ずしもこのような形状でなくともよい。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
は誘導体から構成され、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孔に螺合されていて、こ
の調整ネジ８を回転させることにより、その先端部分８
ａがケース内に突出され、この突出量によって周波数チ
ューニング調整が行われる。

第２図に示した共振器系はＴＥ₀₁δのモードで用いられ
る。その際、誘電体共振器内には図中破線で示す方向に
変位電流が流れ、セラミック基板７の表面に形成された
銀電極７ａ，７ｂと誘電体共振器の外側平面との接合部
分に主な実電流ｉ１が流れ、ケース部材２の内壁２ａに
実電流の漏れ電流ｉ０が流れる。換言すれば、共振電流
が強く流れる経路に、たとえば金属ケースにおけるケー
ス本体と蓋との接合面のような、電流の円滑な流れが妨
げられ易い箇所が存在せず、一体化された電極が設けら
ている。一方、ケースに流れる共振電流は漏れ電流であ
るから、二つのケース部材を組み合わせてなる金属ケー
スを採用することができる。金属ケースは量産性に優れ
ており、この構造は工業的価値が高い。また、その際、
誘電体共振器５２など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から放熱される。従
ってその熱は容易に外部に放散され、大電力回路をも用
いることができる。なお、このとき誘電体共振器５２な
どはケース部材に接着されたセラミック基板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
る機械的歪を吸収させることができ、電気壁として作用
する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ＴＥ₀₁δ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部分断面を表し
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を表し、１０は入力用
コネクタ３とこのストリップライン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
る。図に示すようにストリップライン９はストリップ基
板９ａとストリップ導体９ｂから構成され、リード線１
０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
底面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る。第
５図と第６図は第３図，第４図に示した誘電体共振器５
１の各平面に形成された電極とこの入力部の係合回路の
等価回路を表している。第５図において垂直面に形成さ
れた電極５１ａは第６図においてコイルＬに対応し、第
５図における電極５１ａと５１ｂ間の容量，電極５１ａ
と５１ｃ間の容量はそれぞれ第６図においてコンデンサ
Ｃ１，Ｃ２に対応する。なお、抵抗Ｒはコネクタ３に接
続される負荷のインピーダンスを表している。このよう
な第１段目の誘電体共振器の水平面に形成される電極の
寸法や形状によって入力インピーダンスを設定し、入力
用コネクタ３に接続される同軸ケーブルのインピーダン
スとマッチングが行われる。

第３図〜第６図に示した例は入力部分の結合回路につい
てであったが、同様の回路が出力側にも構成されてい
る。

第７図は第１図に示した装置の底面または上面に平行な
断面の一部を表す図である。図において５３〜５６は第
３段目〜第６段目の誘電体共振器を表している。また、
Ｓ１は第４段目の誘電体共振器５４と第５段目の誘電体
共振器５５との結合をとるための開口部、Ｓ２は第３段
目の誘電体共振器５３と第６段目の誘電体共振器５６と
の結合をとるためのスロットを表している。前述のよう
に、これらの各誘電体共振器はＴＥ₀₁δのモードで使用
されるが、同時に２倍波のモードも励振される。この２
倍波の発生はスプリアス特性を低下させる原因の一つと
なる。この実施例では、第４段目の誘電体共振器５４と
第５段目の誘電体共振器５５との結合においてこの２倍
波の結合を除去している。すなわち、図においてＨ１は
誘電体共振器５４に発生し得る２倍波の磁力線、Ｈ２は
誘電体共振器５５に発生し得る２倍波の磁力線をそれぞ
れ表しているが、この二つの誘電体共振器相互の２倍液
の磁場のベクトルが積分値として直交する位置関係に、
この二つの誘電体共振器を配置することにより、２倍波
の結合を打ち消すことができる。

なお、この実施例によれば、四分割形状の誘電体共振器
を用いたため、前述の非対称モードそのものが振励され
ず、その結果、従来の円柱形状の誘電体共振器に比べて
スプリアス特性が向上する。四分割形状以外の場合は非
対称モードが若干発生するが、Ｅモードは存在し得なく
なるため、第１６図に示したものに比べるとなお良好な
スプリアス特性を示す。

更に、第７図においてスロットＳ２の存在により、第３
段目の誘電体共振器５３と第６段目の誘電体共振器５６
とが弱く結合する。その結果、バンドパスフィルタの特
性上、減衰極を生じさせフィルタ特性を向上させてい
る。

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８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
表している。また、ｋ１２，ｋ２３，ｋ３４，ｋ４５，
ｋ５６，ｋ６７，ｋ７８はそれぞれこの二桁の数字が示
す段数の誘電体共振器間の結合部分を表している。さら
にｋ３６は第１図と第７図に示したスロットＳ２の存在
により第３段目の誘電体共振器５３と第６段目の誘電体
共振器５６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
具体例と、その条件における特性例を次に示す。

第９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。また、第１１図は各
誘電体共振器の寸法と位置関係における誘電体共振器間
の結合係数を表している。第１２図，第１３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特性
を表す図であり、第１２図は周波数に対する反射損失と
減衰量を表し、第１３図は周波数における挿入損失を表
している。さらに、第１０図はこの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。

なお、上記実施例は、入出力部分の結合を容量結合で行
った例であつたが、この他に誘導結合で行うことも可能
である。第１４図（Ａ）〜（Ｃ）はその場合の例につい
て表している。同図（Ａ）の例は、ケース側面に取り付
けたコネクタ３からケース内にそって金属ロッド１１を
突出させた例であり、この金属ロッド１１が発生する磁
力線が誘電体共振器５１と鎖交する。同図（Ｂ）の例は
ケース内に金属ワイヤからなるループ１２が形成され、
その一端１２ａがケースに半田付けなどにより電気的に
接続され、他端が、ケースの上面に形成されたコネクタ
３に接続されている。同図（Ｃ）の例はケースの内壁と
誘電体共振器間にそって金属ワイヤ１３が設けられ、そ
の一端１３ａがケース内に接続され、他端がコネクタ３
に接続されている。このようにして金属ロッドや金属ワ
イヤと誘電体共振器とが誘導結合される。

また、上記実施例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、表面に銀電極が形成されたセラミ
ック基板を用いた例であったが、例えば第１５図に示す
ように金属材料からなる弾性体によって固定することも
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、部分的に半田付けによって
接着するかエポキシなどの合成樹脂系の接着剤を用いて
固定する。このようにして弾性体を介して固定すること
により、セラミック材料からなる誘電体共振器の熱膨張
と金属材料からなるケース部材との熱膨張との差による
機械的歪を吸収させることができる。

さらに、上記実施例では、開扇角度が９０゜の誘電体共
振器を用いた例であったが、その他に、例えば開扇角度
が３０゜より小型の誘電体共振器を用いることができ
る。但しこの場合、開扇角度をあまり小さくすると、無
負荷損失が増大し、無負荷Ｑが低下する。また、逆に角
度が大きくなると、たとえば１８０゜にするとあまり小
型化できないが、第１６図に示したような従来の誘電体
共振器と比べて放熱効果は良好となる。

(h)発明の効果 以上のようにこの発明によれば、複数の小型誘電体共振
器を、各共振器の軸を共通にして、軸方向に誘導結合さ
せたため、従来の中心軸方向に結合させた誘電体共振器
装置と同様に、設計性が高く、非対称モードが励振され
にくく、スプリアス特性の優れたフィルタを構成するこ
とができる。しかも、各誘電体共振器自体の外形寸法が
小さく、また、ケースの内部形状寸法も小さくできるた
め誘電体共振器装置全体を小型化することができる。さ
らに、各誘電体共振器はケースの内壁などに直接接する
ため放熱効果が高く、大電力用の回路にも用いることが
できる。しかも、各誘電体はその誘電体に同一もしくは
近似する熱膨張係数を有するセラミック板の表面に形成
された電極膜に接合するようにしたため、例えば金属板
に誘電体を直接接合した場合に比較して、熱膨張係数の
差に起因する接合部に生じる応力歪は充分小さい。その
ため、セラミック板から誘電体が剥がれることがなく、
共振器の実電流の流れる経路にクラックが生じ難くな
り、安定性の高い誘電体共振器装置が得られる。また、
複数の誘電体の各々をセラミック板の電極膜に接合し、
各セラミック板をケースの内壁面またはケース内の金属
壁面に個別に接合するようにしたことにより、個々のセ
ラミック板を比較的小さく形成することができるため、
例えば１枚のセラミック板に複数の誘電体を接合する場
合に比較して、セラミック成型時のそりや歪み等が大き
くならず、個々のセラミック板を精度よく作成すること
ができ、ケース内に誘電体を高精度に配置することがで
きる。その上、誘電体はセラミック板に焼付固定された
状態でケース内に配置されるが、誘電体ごとにセラミッ
ク板が分離しているため、ケース内に配置する際、誘電
体間の間隔を容易に設定調整することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の実施例である誘電体共振器装置の構
造を表す部分破断斜視図、第２図は同装置の部分断面
図、第３図は第１図に示した誘電体共振器装置の部分断
面図、第４図は第３図に示した部分の斜視図、第５図と
第６図は第１段目の誘電体共振器の構成と等価回路を表
す図、第７図は第１図に示した誘電体共振器装置の部分
断面図、第８図は上記誘電体共振器装置の等価回路、第
９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１０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１１図は各誘
電体共振器間の結合係数を表す図、第１２図と第１３図
はバンドパスフィルタとしての特性を表す図である。第
１４図（Ａ）〜（Ｃ）は他の実施例に係る誘電体共振器
装置における入出力における結合回路を表す図、第１５
図は誘電体共振器の他の固定構造の例を表す断面図、第
１６図、第１７図（Ａ），（Ｂ）は従来の誘電体共振器
装置の構造を表す図である。 １，２−ケース部材、３，４−コネクタ、５１〜５８−
誘電体共振器、６−金属板、７−セラミック基板。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 阿部 博次 京都府長岡京市天神２丁目26番10号 株式 会社村田製作所内 (56)参考文献 特開 昭57−14201（ＪＰ，Ａ) 特開 昭51−107052（ＪＰ，Ａ) 特開 昭59−63802（ＪＰ，Ａ) 実開 昭61−134105（ＪＰ，Ｕ) 実開 昭61−134106（ＪＰ，Ｕ)

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】１つの電気壁を成す平面上の直線または２
   つの電気壁を成す平面が交わってできる直線を電磁界分
   布の中心軸として、前記電気壁にそれぞれ誘電体を接し
   て成るＴＥ₀₁δモードの複数の誘電体共振器を、隣接す
   る誘電体共振器間が結合するように金属ケース内に配置
   収納し、該ケースの外面に信号入出力部を設け、前記複
   数の誘電体共振器のうち所定の誘電体共振器に結合する
   結合部を前記信号入出力部に接続した誘電体共振器装置
   において、 それぞれ前記誘電体の熱膨張係数に同一もしくは近似す
   る熱膨張係数を有し、表面に前記電気壁としての電極膜
   を形成したセラミック板を前記誘電体ごとに用い、該セ
   ラミック板の電極膜に前記誘電体をそれぞれ接合し、複
   数の誘電体の電磁界分布の中心軸を一致させるととも
   に、前記セラミック板を前記ケースの内壁面または前記
   ケース内に設けた金属壁面に個別に接合したことを特徴
   とする誘電体共振器装置。