JPH07506950A - マイクロ波共振器 - Google Patents

Abstract

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Description

【発明の詳細な説明】 マイクロ波共振器 技術分野 本発明は、マイクロ波共振器に関する。

最近のレーダー及び遠距離通信システムは、厳しい性能上の要求と極めて優れた スペクトル純度を有する高周波信号源と信号処理システムを必要としている。

従って、スペクトル純度、安定性、及び電力制御の要求条件を益々向上させた信 号処理システムと信号源に対する必要性が存在している。

共振器は、固有の性質として、希望しない信号から希望する信号を識別する。

生成された信号の純度と安定性は、周波数決定装置として使用している共振器と 直接関係し、これはそのＱ１電力制御能力と振動及び温度と関連する影響に対す るその不感性によって決まる。

誘導材料片は、その誘電定数と物理的な寸法によって決まる電磁スペクトル内に おける自己共振モードを有していることが知られている。誘電材料片の所定のモ ードのスペクトル特性は、この誘電材料の固有の特性、その幾何学的形状、その モードの放射パターンと、この誘電材料を取り囲んでいるまたはこれの近傍の材 料の特性と寸法によって決まる。

従来技術の共振器は、伝統的に誘電材料を含んでいない金属空洞、または誘電材 料を含んでいる金属空洞を利用し、これらの空洞のＱは、金属空洞の特性によっ て限定され、従ってより優れたＱを得るため、極低温度で動作されていた。しか し、極低温度を保持するには、携帯用または小型の装置に内蔵することが面倒で 、困難な装置が必要とされる。

発明の開示 本発明は、既存の従来技術による共振器に対して改善されたＱを提供しながら、 周辺温度に近い温度で動作することのできるマイクロ波共振器を提供するもので ある。

本発明の１つの側面によれば、所望の周波数と特定の温度に於いて所望のモード で動作し、導電性のある内面を有し、はぼ円筒形で損失の小さい誘電材料片を含 む、少なくとも部分的にはほぼ円筒形の壁部によって形成された空洞を有するマ イクロ波共振器を製作する方法が提供され、上記の方法は、（１）所定の寸法の ほぼ円筒形の損失の小さい第１誘電材料片を製作し、該第１誘電材料片を空洞内 に置いてマイクロ波共振器を製作するステップと、（２）マイクロ波を上記空洞 内に放射するステップと、（３）上記の特定の温度に於いて上記の所望の動作モ ードに対応する上記の第１片からの初期出力周波数を検出して測定するステップ と、（４）上記初期出力周波数と上記の所望の出力周波数の間の比に従って上記 第１誘電材料片を縮小または拡大して、はぼ円筒形の第２誘電材料片を製作する ステップと、 （５）」−記空洞の寸法と実質的に似た寸法を有するが、上記の所望の出力周波 数により近い出力周波数を得るために上記の第２片の製作時の精度誤差を補償す るように直径及び／または高さを変更した別の空洞を製作するステップと、（６ ）上記第２片を上記の別の空洞内に置いて上記の所望のモードと上記の所望の周 波数で動作する上記マイクロ波共振器を製作するステップと、によって構成され る。

図面の簡単な説明 本発明を、添付図を参照して実施例によって説明する。

第１図は、本発明の第１実施例によるマイクロ波共振空洞の線Ａ−Ａに沿った底 面図及び側部断面図である。

第２図は、本発明の第２実施例によるマイクロ波共振空洞の線Ａ−Ａに沿った底 面図及び側部断面図である。

第３図は、本発明の第３実施例によるマイクロ波共振空洞の線Ａ−Ａに沿った底 面図及び側部断面図である。

第４図は、本発明の第４実施例によるマイクロ波共振空洞の線Ａ−Ａに沿った底 面図及び側部断面図である。

第５図は、本発明の第５実施例によるマイクロ波共振空洞の側面図である。

第６図は、本発明によるマイクロ波共振器の側面図である。

第７図は、第６図に示すマイクロ波共振器の平面図である。

第８図は、マイクロ波共振器で使用する温度制御装置の概略ブロック図である。

第９図は、マイクロ波共振器で使用する他の温度制御装置の概略ブロック図であ る。

第１０図は、誘電材料片の半径と空洞の壁部の半径の比が変化する場合、種々の ＴＭ　（Ｎ、１、ｄ）モードでＮが１と５の間で動作するマイクロ波共振器内の 損失を示すグラフである。

のＴＥ（Ｎ、１、ｄ）モードでＮが２と６の間で動作するマイクロ波共振器内の 損失を示すグラフである。

第１２図は、誘電的に負荷を加えたＴＭ　（５、Ｌ　ｄ）モードで動作するマイ クロ波共振空洞の電磁界強度のプロットを示す。

第１３図は、誘電的に負荷を加えたＴＥ　（６，１、ｄ）モードで動作するマイ クロ波共振空洞の電磁界強度のプロットを示す。

第１４図は、１０ＧＨｚで動作するサファイアを用いたマイクロ波共振空洞（Ｔ Ｍ　（５，１、ｄ））の周波数に対する共振器の摂氏で示す動作温度の変化を示 すグラフである。

第１５図は、空洞の半径と誘電材料の半径の比と、共振器の動作周波数及びＴＭ （５，１、ｄ）モードで動作する共振器用の共振システムの損失要素との間の関 係を示すグラフである。

第１６図は、空洞と誘電材料の高さの比と、ＴＭ（５，１、ｄ）モードで動作す る共振空洞用の共振システムの損失要素との間の関係を示すグラフである。

第１７図は、空洞と誘電材料の高さの比と、共振器の動作周波数及びＴＭ　（８ ，１、ｄ）モードで動作する共振空洞用の共振システムの損失要素との間の関係 を示すグラフである。

第１８図は、空洞の半径と誘電材料の半径の比と、共振器の動作周波数及びＴＮ ｌ（５，１、ｄ）モードで動作する共振器用の共振システムの損失要素との間の 関係を示すグラフである。

第１９図は、空洞の半径と誘電材料の半径の比と、共振器の動作周波数及びＴＭ （７，１、ｄ）モードで動作する共振器用の共振システムの損失要素との間の関 係を示すグラフである。

第２０図は、空洞の半径と誘電材料の半径の比と、共振器の動作周波数及びＴＥ （７，１、ｄ）モードで動作する共振器用の共振システムの損失要素との間の関 係を示すグラフである。

本発明の説明 添付図の第１図は、本発明によるマイクロ波共振空洞１０を示す。このマイクロ 波共振空洞１０は、円筒形の壁部１２、円形のベース１４と円形の蓋部１６によ って構成される。

この円筒形の壁部１２内には、多数のマイクロ波ポート１８が設けられる。これ らのポート１８の数は、使用しようと意図しているマイクロ波共振空洞１０の用 途によって決まる。これらのマイクロ波ポート１８は、マイクロ波を空洞１０内 に供給し、この空洞１０からマイクロ波を受け取るための手段として機能する。

円筒形の壁部１２の中には、孔２６が形成され、これによって空洞１０をとりつ ける手段が提供される。

ベース１４と蓋部１６の各々には、軸方向の凹部２０と環状の溝２１が含まれて いる。軸方向の凹部２０と円筒形の壁部１２は同軸に位置合わせされている。

環状の溝２１にはインジウム・ガスケットのようなガスケットが取り付けられ、 これによって円筒形の壁部１２とベース１４と蓋部１６の間の熱伝導性を改善し ている。

図１の上部の図は、ベース１４の下面図を示す。しかし、この図は蓋部１６にも 同様に適応可能であると理解されるべきである。ベース１４には、複数の孔２７ とスロット２８が設けられ、これらの孔２７は円状に配置されている。これらの 孔２７は、ボルトのようないずれかの都合の良い手段でベース１４を円筒形の壁 部１２に取り付けるためのものである。これらの放射状のスロット２８によって 、空洞１０内での希望しないモードを阻止することができる。放射状のスロット ２８の数は、空洞１０において作動させようとしている共振モードによって決ま る。

円筒状の壁部１２は、空洞１０を冷却手段に取り付けるための面２５を有してい る。マイクロ波のプローブをポート１８内に容易に取り付けるための平坦な表面 ２３が、各ポート１８に対して設けられている。

共振空洞１０は、一般的に円筒形の誘電材料片２２を有している。この誘電材料 片２２には、その円筒の平坦な端部のそれぞれに、これと一体の軸方向のスピン ドル２４が設けられている。これらのスピンドル２４もまた、誘電材料２２によ って形成されている。これらのスピンドル２４は、蓋部１６とベース１４の凹部 ２０内に収容されるように設計されている。従って誘電材料片２２は、円筒形の 壁部１２に対して同軸に、蓋部１６とベース１４の間に保持される。

第２図、第３図及び第４図は、図１に示すマイクロ波共振空洞の他の実施例を示 し、ここで同一の参照番号は同一の部分を示す。

第２図は、本発明によるマイクロ波共振空洞３０の第２実施例を示し、これは左 側のセクション３２と右側のセクション３４によって構成される。各セクション ３２と３４は、半円筒形の内面３１を有している。半円形の断面を有するロッド ３６がセクション３２の平坦な両端部から空洞１０に対して内側に延び、自由端 で終了している。半円形の断面を有するロッド３８がセクション３４の平坦な両 端部から空洞１０に対して内側に延び、自由端で終了している。

ロッド３６はセクション３２と一体に形成され、ロッド３８はセクション３４と 一体に形成されている。これらのロッド３６と３８は円筒面３１と同軸に位置合 わせされ、各ロッド３６は対応するロッド３８と連続している。ロッド３６と３ ８の各対の自由端は、その中に形成された軸方向の凹部４０を有している。

誘電材料片２２のスピンドル２４は、ロッド３Ｇと３８の凹部４０の中に収容さ れている。従って、誘電材料２２は、円筒面３１と同軸にロッド３Ｇと３８の間 に保持されている。

第１図に示す実施例の蓋部１６、ベース１４と円筒形の壁部１２の代わりにセク ション３２と３４を使用することによって、空洞３０内の希望しないモードを更 に抑制すると共に、誘電材料片２２から冷却手段への熱伝導を改善する。

第３図は、本発明によるマイクロ波共振空洞５０の第３実施例を示し、これは蓋 部５２とベース５４によって構成される。ベース５４は、円筒形の壁部６４と一 体に形成されている。円形の断面を有する同軸のロッド５６と５８は、それぞれ 蓋部５２とベース５４から空洞５０内に延び、自由端で終了している。ロッド５ ６は蓋部５２と一体に形成され、ロッド５８はベース５４と一体に形成されてい る。誘電材料片２２の上部と底部には、軸方向の凹部６０が形成されている。

ロッド５６と５８は、この誘電材料片２２の軸方向の凹部６０内に収容され、誘 電材料片２２を円筒形の壁部６４と同軸に保持している。各ロッド５６と５８に は、軸方向のベント６２が形成されている。

この軸方向のベントは、空洞５０を排気する場合、空気が軸方向の凹部６０内で 捕捉されるのを防止する。

円筒形の壁部６４は、蓋部５２との良好な接触を得るための環状の突起部６８を 有している。突起部６８、蓋部５２と円筒形の壁部６４の間に、空間６６が形成 される。この空間６６は、ガスケットを収容するように設計されており、これに よって円筒形の壁部６４と蓋部５２の間で良好な熱接触を保証する。

第４図は、本発明によるマイクロ波共振空洞７０の第４実施例を示し、これは蓋 部７２と平坦な端部を有するベース７４によって構成される。ベース７４は、円 筒形の壁部８２と一体に形成されている。このベース７４の平坦な端部から空洞 ７０内に延びているのは、同軸の円筒形のロッド７６である。このロッド７６は 十分な長さを有して蓋部７２を通って延び、図示のようにこの蓋部７２と一体に なるように形成されている。孔８０が、ロッド７６を通って延びる。この孔８０ によって、誘電材料片２２に接近してロッド７６内に温度プローブを設置するこ とが可能になる。

誘電材料片２２は、その中に形成された軸方向の円筒形の孔７８を有する。この 誘電材料片２２は、第４図に示すようにロッド７６上に懸垂されるように設計し である。誘電材料片２２の円筒形のロッド７６に対する懸垂は、以下の手段の１ つによって行われる。まず、誘電材料片２２内に形成される軸方向の円筒形の孔 ７８は、その直径が円筒形のロッド７６の直径よりも僅かに小さい。円筒形のロ ッド７６を低温に冷却することによってこの円筒形のロッド７６を熱的に収縮さ せ、これによって誘電材料２２を円筒形のロッド７６上の所定の位置に設置する ことが可能になる。円筒形のロッド７６が周辺温度に戻るのに従って、このロッ ドは熱効果によって膨張し、従って誘電材料片２２をその長さ方向に沿って保持 する。

または、誘電材料片２２内の孔７８を金属材料で鍍金してもよい。そして、この 誘電材料片２２をロッド７６に溶接または鑞付けすることができる。

本発明の空洞１０．３０．５０及び７０内のスロット２８は、この空洞内の希望 しないモードを抑制するように設計されている。スロツト２８は、所望の動作モ ードと干渉しない空洞の蓋部の周囲の位置に取り付けられている。これは、所望 の動作モードに於ける電磁エネルギーの集中度の低い位置に対応している。希望 しないモードの多（はこれらの位置にかなりの量のエネルギーを有し、従ってス ロット２８はこれらのモードに対する抑制装置として機能する。スロ・ノド２８ の効果は、所望の動作モードに関しては空洞に放射を行わせないようにし、大部 分の好ましくないモードに関しては放射を行わせるようにすることである。従っ て、スロット２８は、共振器内の希望しないモードの密度を低減するのに役立つ 。

マイクロ波共振空洞内の損失の１つは、誘電材料内の電磁界の散逸によるもので ある。この散逸によって誘電材料内に熱が蓄積する。大部分の誘電材料は、温度 によって決まる共振周波数を有している。即ち、誘電材料の共振周波数は、温度 が変化するのに従って変化する。従って、動作中の誘電材料に温度変化を生じさ せるのは好ましくない。この理由のため、誘電材料内の電磁界の散逸の結果生じ るこの誘電材料内の熱の蓄積をなくす必要がある。従って、本発明のマイクロ波 共振空洞の蓋部、円筒形の壁部及びベースを良好な熱伝導性を有する材料によっ て形成することが好ましい。

本発明の共振空洞の蓋部、ベース及び壁部を高い熱伝導性を有する材料から製作 することによって、空洞をいずれかの都合のよい手段によって冷却することが可 能になる。しかし、誘電材料と空洞のベースと蓋部との間の熱伝導には、かなり の時間を要するという固有の問題が残っている。従って、空洞の設計によって熱 ができるだけ効率的に伝導されることを保証することが好ましい。

第１図に示すマイクロ波共振空洞１０は、誘電材料片２２が蓋部１６とベース１ ４の間で確実に保持されているため、優れた耐機械的振動性を与えて０る力面、 この空洞１０の熱的特性は比較的不十分である。これＩよ、スピンドル２４力（ 誘電材料片２２の円筒部分と比べて比較的長くかつ細１．）？こめである。従っ て、スピンドル２４は実際上熱インピーダンスが非常に高く、このため誘電材料 ）′ｌ−２２の円筒部分から蓋部１６とベース１４への熱の伝導が遅くなって０ る。

第１図のスピンドル２４の大部分を蓋部３２とベース３４と同じ材料で製イ／ｌ ニジだロッド３６と３８によって取り替えることにより、第２図に示すマイクロ 波」（振空洞３０は熱特性を改善している。従って、スピンドル２４（ま比較自 りＩＪＸ型であり、主として誘電材料片２２を円筒形の壁部２４と同軸（ご保持 する目的のため（こ設けられている。

第３図に示すマイクロ波共振空洞５０によって、交に改善を行うこと力くできる 。

ここでは、ロッド５６と５８が誘電材料片２２内に延び、従ってスピンドルのｌ ・変性をなくしている。更に、口・ノド５６と５８及び誘電材料２２の間の熱（ 云ｚＩＩ性か改善されているが、その理由は、口・ノドが誘電材料ハ゛２２内（ こ延び、従って放散すべき熱により接近しているからである。マイクロ波共振空 洞５０１こよれ（ｆ更に良好な耐機械的振動性が与えられるが、これ（よ誘電材 料２２力（口、ノド５６と５８の間で保持されるからである。

第４図に示すマイクロ波共振空洞７０によって、第１図な０シ第４図に示す４つ の実施例の中で最も優れた熱放散が行われる。これ（よ、誘電材料Ｊ全２２全体 を介して延びるロッド７６が存在しているためである。従って、誘電材料力）ら の熱はロッド７６に直接伝導され、これによって熱を可能なに艮り最大限方父散 することができる。しかし、誘電材料は純粋に熱膨張によって口・ノド７６上喀 こ懸垂されているので、マイクロ波共振空洞７０は第１．２及び３図（こ示すマ イクロ波）（振空洞と同様の耐機械的振動性を与えることはできなＬ）。

第５図は、本発明によるマイクロ波共振空洞９０の第５実施俳１を示し、これＣ よ円筒形の壁部９２、ベース９４と蓋部９６によって構成される。蓋部９６は内 部及び外部の同心で環状のセクション９８を有し、これらは図示のように離れて 位置している。また、円筒形の壁部９２はその上端部及び下端部から離れた外部 セクション１００を有している。セクション９８はが設けられているので、これ によって、共振空洞９０を極低温で動作するときに、熱収縮と熱膨張が可能にな る。

セクション１００が設けられているので、ナイフ・エツジ効果によって、円筒形 の壁部９２と蓋部９６とベース９４の間で電気的接触が得られる。

共振空洞９０は、係止手段１０２、第１環状突起部１０４、第２環状突起部１０ ６、及び内部と外部の同心で円筒状の誘電材料片１０８と１１０によって更に構 成される。係止手段１０２は、蓋部９Ｇを軸方向に貫通してねじのようないずれ かの都合のよい手段によってベース９４と係合するように設計する。係止手段１ ０２は、円筒形の壁部９２との間でベース９４と蓋部９６を所定の位置に保持し 、また突起部１０４と１０６の間で誘電材料片１０８と１００を保持する。

突起部１０４は共振空洞９０内に延び、はぼ長方形の断面を有する環状の形状を 有する。共振空洞に対して最も内部に延びている突起部１０４の角には切り欠い た部分があり、この中に誘電材料片を収容している。この突起部１０４は薇部９ ６と一体に形成され、この蓋部９６と同軸である。突起部１０６はベース９４と 一体に形成され、これ以外は突起部１０４と全く同じである。誘電材料片１０８ と１１０は、その長さ全体が実質的に一定の厚さになっている。しかし、円筒の 各端部ては、誘電材料１０８と１１０の厚さは、薄くなっている。誘電材料片１ ０８と１１０を空洞内に設置して突起部１０４と１０６の間に保持すると、これ らの２つの誘電材料片１０８と１１０の間にギャップが形成される。誘電材料片 １０８と１１０の厚さが薄くなっている突起部１０４と１０６に近接した端部で は、より広いギャップ１１４が形成される。このギャップ１１４の機能は、遮断 周波数以下で動作する導波管として存在することによって、マイクロ波のエネル ギーに対する電磁インピーダンスを実質的に増加させ、これをギャップ１１４の 間に閉じこめることである。

ギャップ１１２の機能は、誘電材料片１０８と１１０を形成している誘電材料内 の損失の影響を削減することである。

添付図の第１２図は、ＴＭ（５，１、ｄ）モードで動作する誘電材料内の電磁界 の分布を模式的に示す。暗領域は電磁放射の高い濃度を示し、明領域は電磁放射 の低い濃度を示す。空洞の境界は黒線ｒＣＪで示す。誘電材料の境界は黒線ｒＤ Ｊで示す。上の図は誘電材料の平面図を示す。下の図は誘電材料の側面図を示す 。第１２図から分かるように、大部分の電磁放射は誘電材料内に含まれている。

この誘電材料の中心内には無視可能な程度の電磁放射しか存在しないことにまた 留意しなければならない。従って、共振器の動作を妨げることなく中心の誘電材 料を取り除くことが可能である。

第１３図は、ＴＥ　（６，１、ｄ）モードで動作する誘電材料内の電磁界の分布 を模式的に示す。誘電材料の境界は黒線ｒＤＪで示す。図から分かるようにより 多くのモードを収容するには、同じ周波数の電磁放射に対して誘電材料片の寸法 を大きくしなければならない。また、より多くの電磁放射が誘電材料内に含まれ ている。

第１２図と第１３図を検討すると、大部分の電磁放射は比較的狭い環状部分に含 まれていることが明らかになる。従って、２つの同心の誘電材料の円筒を形成し 、これらの円筒の間の空間が自由空間になることを可能にしながら、電磁放射を これらの円筒に含めることが可能である。自由空間は電磁放射にとって損失を生 じない媒体であることがよく知られている。従って、誘電材料片１０８と１１０ は、本発明の他の実施例の他の空洞に対するのと同様の方法で電磁放射を閉じこ めるのに役立つが、ギャップ１１２によって、これらの空洞と関連する損失を実 質的に低減することが可能になる。これは、大部分の電磁放射が損失を生じない 媒体であるギャップ内に閉じこめられるからである。従って、共振空洞９０のＱ は本発明の他の実施例のＱよりも優れている。

ギャップ１１２と１１４に適当な材料を充填してメーザ−（ＭＡ　Ｓ　Ｅ　Ｒ） の機能を可能にすることがまた考えられる。このような適当な材料は、例えば、 ルビジウム・ガスまたは励起水素ガスである。

マイクロ波共振空洞の性能は、主としてこのマイクロ波共振空洞と誘電材料片２ ２の形状によって決まる。特に、以下の寸法が共振器の性能に関係していること が分かっている。すなわち、 ａ）誘電材料片２２の直径、 ｂ）誘電材料片２２の高さ、 Ｃ）誘電材料片２２の直径と円筒形の壁部１２の内面の直径の比、及びｄ）誘電 材料片２２の高さと円筒形の壁部１２の高さの比である。

更に、誘電共振器のＱは、誘電材料内の電磁界の散逸、周囲の空間への電磁界の 放射、及び空洞の壁部内での散逸による損失によって決まる。

放射損失は、一定の放射モードで減少することが知られている。多数の電磁界モ ードの中で放射損失の削減にとって最も好都合なモードの１つは、「ささやきの 回廊」モードとして知られているグループである。これらのモードの場合、電磁 界の大部分は、誘電材料内に含まれ、放射損失が減少する。特に、本発明で使用 するのが好ましいモードは、疑似ＴＥモード（Ｑｕａｓｉ　Ｔｒａｎｓｖｅｒｓ ｅ　Ｅｌｅｃｔｒｉｃ　Ｍｏｄｅ）、ＴＥ　（Ｎ、Ｉ、ｄ）、疑似７Ｍモード（ Ｑｕａｓｉ　Ｔｒａｎｓｖｅｒｓｅ　Ｍａｇｎｅｔｉｃ　Ｍｏｄｅ）、ＴＭ（Ｎ 、１、ｄ）と、疑似ＴＨモード（Ｑｕａｓｉ　Ｔｒａｎｓｖｅｒｓｅ　Ｒｙｂｒ ｉｄ　Ｍｏｄｅ）であり、Ｎ＝３ないし無限大、好ましくは３ないし２０、更に 好ましくは４ないし７である。Ｎの値を選択し、次に誘電材料の形状の決定に影 響を及ぼす共振器の動作周波数を選択することによって、誘電材料の形状の決定 が影響を受ける。

第１０図は、ＴＭ（１，１、ｄ）乃至ＴＭ（５，１、ｄ）について空洞の半径と 誘電材料片の直径が種々の比率を取る場合に、この空洞に対して得ることのでき る正規化した最大のＱを示す。第１０図の曲線は、銅の壁部を有する空洞内に於 けるサファイアの誘電材料の場合である。図から分かるように、Ｎの値が小さい 場合、特にＮが３以下の場合、電磁モードと空洞の壁部との相互作用、または電 磁界の自由空間への放射によるかなりの損失が存在する。更に、Ｎ＝５は、正規 化したＱが１以上であるグラフ上に示された唯一のモードであることがまた明ら かである。従って、７Ｍモードに対して選択したモードは、少なくともＴＭ（５ ，１、ｄ）であることが好ましい。この選択によって、その他の制約を考慮して も、誘電材料から得ることのできる最大のＱを空洞内で達成することが可能にな る。

しかし、モードの数が増加するのに従って、同一の共振周波数に対して、これを 受け入れるための誘電材料の寸法の大きくする必要がある。従って、空洞を可能 な最小寸法にしながら、ある誘電材料から得ることのできるＱを最大にするため に、７Ｍモードに関してはＮ＝５を選択するのが最適である。

第１１図は、空洞と誘電材料片が種々。の比率を取る場合に、ＴＥ奇モードＴＥ （２，１、ｄ）乃至ＴＥ　（６，１、ｄ）に対して空洞内で得ることのできる最 大のＱを正規化したグラフを示す。第１１図のこれらの曲線は、銅の壁部を有す 空洞内のサファイアの誘電材料に対するものである。縦軸は得ることのできる正 規化したＱを表し、横軸は空洞の半径と誘電材料の半径の間との比を表す。この グラフから分かるように、共振空洞内のこの誘電材料に関してえることのできる 最大のＱを得るには、ＴＥ　（６，１、ｄ）で動作する必要がある。従って、Ｔ Ｅ奇モード動作するマイクロ波共振空洞の場合、空洞の寸法を最小にしながら、 その誘電材料により得られる最大のＱを得るには、ＴＥ　（６，１、ｄ）モード で動作するのが好ましい。

他の考慮すべき点は、空洞内のモード数が増加するのに従って、より多くの電磁 放射が誘電材料内に含まれるという事実である。実際上、この結果空洞の寸法を 変えることによって動作周波数をチューニングする能力が低下する。モードＴＭ （５，１、ｄ）とＴＥ　（６，１、ｄ）によれば、空洞のチューニング能力と、 この空洞内の損失の間でうま（妥協が行われると考えられる。

更に本発明によれば、誘電材料からの放射損失の影響は、この誘電材料を導電性 を有する空洞内に設置することによって削減される。このことは、共振空洞のベ ース、蓋部と円筒形の壁部を、銅や銀のような極めて導電性の高い材料から製作 することによって達成することができる。

または、共振空洞のベース、蓋部と円筒形の壁部に銅、銀または金のような極め て導電性の高い材料を適当な厚さに鍍金してもよい。大部分の用途では２０ミク ロンで十分であることが分かっている。銀は最も低い抵抗を示すので、一般的に 好ましい。

更に、誘電材料の放射損失は、以下の好ましい特性の内の１つ以上を有する損失 の低い誘電材料を選択することによって、削減することができる。即ち、これら の好ましい特性とは、低損失接線、中位または高位の誘電定数、低い温度膨張係 数、誘電定数の温度係数が低いこと、高い縦弾性係数（ヤング係数）及び高い誘 電強度である。

誘電材料の好ましい形態は純粋のサファイヤであるが、このような共振器の構造 では、他の材料を使用することもできる。他の幾つかの適当な材料には、チタン 酸バリウム、石英、不純物を添加した石英、ＹＩＧ　（イツトリウム・インジウ ム・ガーネット）、ＹＡＧ（イツトリウム・アルミニウム・ガーネット）、ニオ ブ酸リチウム及びランチネート（ｌａｎｔｈｉｎａｔｅ）がある。

更に、誘電材料に選択した種類の原子を添加し、この誘電材料のある特性を変更 して、共振器の性能を改善するのが好ましい。−例として、常磁性の原子を選ん で、サファイアの格子に所定の添加水準まで導入するのが有利である。この常磁 性種は共振器のマイクロ波の共振と相互作用を行い、その結果この共振器の周波 数は一般的に低い温度依存性を示す。

１０ＧＨｚに於いてＴＭ（５，１、ｄ）で動作するサファイアの誘電材料の場合 、直径が２１．６８ｍｍ、高さが２０．５８ｍｍであるのが好ましいことが分か っている。この値は、既知の方法でマクスウェルの方程式の解をめることによっ て決定された。マクスウェルの方程式の解によって第１の値を得ると、以下の手 順によって他のモードで動作する誘電材料片の直径を得ることができる。

第１に直径２１．６８ｍｍの誘電材料片を使用した共振器を製作する。この共振 器を、製作しようとする空洞の所望の動作温度に近い温度で動作させる。この共 振器は所望の空洞と同一の高さと直径の比を有さなければならず、また所望の動 作モードに対してチューニング可能な範囲、例えば、ＴＭ（５，１、ｄ）モード で動作するのが好ましい空洞の直径の比の場合１，６５と２．００の間になけれ ばならない。次に所望の動作モードの場合の共振器の共振周波数は、既知の手段 を使用して測定する。この周波数を測定することにより、所望の周波数に於いて 所望のモードで動作する誘電材料片の直径を、機械加工上の許容誤差範囲内で決 定することができる。誘電材料の直径は共振周波数に比例するので、この誘電材 料の必要な直径は簡単な比をとることによって計算できる。即ち、サンプルの誘 電材料の計算した共振周波数を所望の動作周波数で除し、その結果をこのサンプ ルの誘電材料の直径に乗じることにより、所望のマイクロ波共振器のおよその直 径に到達することができる。

しかし、誘電材料の機械加工には固有の不正確性が付随するので誘電材料の所望 の動作周波数と実際の動作周波数には、若干の相違が存在する。この問題を克服 するため、誘電材料の半径に対する空洞の壁部の半径の比を変更することによっ て、マイクロ波共振器の共振周波数をチューニングすることができる。

第１５図は、ＴＭ（５，１、ｄ）モードで動作する空洞の場合の上述の比の変化 による共振周波数の変化とこの変化と、関連するＱの損失とを表すグラフである 。

このグラフに於いて、横軸は空洞の半径と誘電材料の半径との間の比を表す。左 側の縦軸は、達成可能な正規化したＱを表す。右側の縦軸は空洞の動作周波数を ＭＨｚで表す。ＴＭ（５，１、ｄ）モードの場合、誘電材料片の半径に対する空 洞の半径の比が１．６５乃至２．００の範囲で動作するのが好ましいと考えられ る。

これによって１０ＧＨｚの共振周波数で約１５ＭＨｚのチューニング範囲が与え られるが、Ｑは１００６が犠牲になっているのに過ぎない。これはマイクロ波共 振器のより大きいチューニング可能性を大きくする上で、受容可能なＱの損失で あると考えられる。

従って、一度誘電材料を上で計算した直径に機械加工し、この誘電材料の共振周 波数を測定する。第１５図を参照して実際の共振周波数と所望の共振周波数との 食い違いを計算することによって、空洞の壁部の半径を調整し、この誘電材料の 機械加工による食い違いを補償することができる。例えば、最初に２．０に等し い半径の比を測定し、共振周波数が所望の周波数よりも若干低くなるようにサフ ァイアを加工し、この半径の比を小さくすることにより、共振周波数を最高１５ ＭＨｚ増加させることができる。

最後のチューニング操作は、共振空洞の動作温度を調整することによって行われ る。第１４図に示すのは、種々の温度に対するサファイア誘電材料の共振周波数 の変化のグラフである。横軸は摂氏の温度の単位を有する。縦軸は、ＧＨｚで示 す空洞の動作周波数である。このグラフから、サファイアは１℃当たり約６７１ ＫＨｚの温度係数を有していることが分かる。共振空洞の温度を１℃の約１／１ ０００以内に保持することによって、この共振空洞がｌｐｐｍ以内の精度の共振 周波数を有するようにこの共振空洞をチューニングすることができる。

上記の手順は複数のモードについて行えるので、類似の空洞の設計を簡単にする だめの情報ライブラリを作ることができる。

第１６図は、ＴＭ（５，１、ｄ）モードで動作している金属空洞の場合の誘電材 料片の高さに対するこの空洞の高さの比とこの空洞内の損失がどのように関係し ているかを示すグラフである。横軸は、誘電材料の高さに対する空洞の高さの比 である。縦軸は、その空洞で達成可能な正規化した最大のＱを表す。これらの高 さの比が共振空洞内の損失に対して及ぼす影響が最小になることを保証するため 、グラフが１０に接近している第１６図の領域で動作を行うのが望ましい。例え ば、高さの比が１．２を十分超える、好ましくは約１．６であるのが好ましい。

空洞の高さと誘電材料の高さの比を変更することによって、この空洞をチューニ ングすることができる。

第１７図は、種々の条件に対してＴＭ　（８，１、ｄ）モードで動作している共 振器の高さの比を変更することによる共振周波数と空洞の損失に対する影響を示 す。横軸は、誘電材料の高さに対する空洞の高さの比を表す。左側の縦軸は、そ の空洞で達成可能な正規化したＱである。右側の縦軸は、動作周波数の相対的な 周波数のシフトをパーセントで示す。１で示す曲線は、２０℃の温度で動作する 空洞の場合である。半径の比は１．７であり、共振器は銅のシールドを有してい た。

２で示す曲線は、４．２にの温度で動作する空洞の場合である。半径の比は１． ９であり、共振器はニオブのシールドを有していた。３で示す曲線は、４．２に の温度で動作する空洞の場合である。半径の比は２．２であり、共振器は銅のシ ールドを有していた。４で示す曲線は、高さの比によって動作周波数がどのよう に変化するかを示す。曲線４は曲線１．２と３に同様に適用することができる。

第１７図から、１Ｍモードで動作する共振器の高さを変更することによって達成 されるチューニング可能範囲は、同じ空洞損失に対して、直径を変更することに よって達成されるチューニング可能範囲よりも狭いことが分かる。従って、１Ｍ モードの空洞では、直径の比を変更するのが好ましい。ＴＥモードの空洞では、 高さの比によって、一定の空洞損失に対する、最大のチューニング範囲が与えら れる。

第１８図、第１９図及び第２０図は、種々のモードで動作する共振器の高さの比 を変更することによる共振器の周波数と空洞の損失に対する影響を示す。横軸は 誘電材料の高さに対する空洞の高さの比を表す。左側の縦軸は、その空洞で達成 可能な正規化したＱである。右側の縦軸は、空洞の動作周波数をＧＨｚで示す。

第１８図はＴＭ（５，１、ｄ）モードで動作する空洞の場合のこの関係を示し、 第１９図はＴＭ（７，１、ｄ）モードで動作する空洞の場合を示し、第２０図は ＴＥ　（７，１、ｄ）モードで動作する空洞の場合を示す。第」８．１９及び２ ０図のデータは、直径が２１．６７ｍｍ、高さが２０．５８ｍｍのサファイヤの 誘電材料片を使用し、このサファイヤに対する空洞の高さの比が１．２である場 合に、２０℃の温度で得たものであった。

空洞から最大の性能を得るには、誘電材料片をポート１８に対して回転させる必 要がある。これは、誘電材料片が完全な円筒ではない、または誘電材料の軸は円 筒の軸と正確に位置合わせされていない、または誘電材料は製造上の制約によっ てその結晶構造に欠陥を有している可能性があるためである。従って、誘電材料 片の配向によって共振器の性能がより優れている幾っがの位置が存在する。この 調整は、空洞を動作させ、ポートに対する誘電材料片の回転の影響を観察するこ とによって行われる。

添付図の第６図と第７図は、第３図のマイクロ波共振空洞５ｏを内蔵するマイク ロ波共振器２００を示し、ここで同一の番号は同一の部品を表す。マイクロ波共 振空洞１０．３０．５０．７０または９０のいずれを使用することもできること を理解しなければならない。

動作周波数に対する温度変化の影響を削減するため、冷却手段２０２と真空キャ ニスタ２０４を設け、これらを格納容器２１２に取り付ける。真空キャニスタ２ ０４の排気を行うため、真空ポンプの出口ポート２０６を設ける。真空キャニス タ２０４にはまた密閉した供給通路２０８を設ｊ九この真空キャニスタ２０４に ケーブルを貫通させる。空洞５０を真空キャニスタ２０４内に設置することによ って、この空洞５０が排気され、周辺温度の変化に対してこの空洞５ｏを有効に 断熱する。

冷却手段２０２は、ペルチェ・ヒート・ポンプのような小型の装置であるのが好 ましい。冷却手段２０２は空洞５ｏと格納容器２１２の間に保持し、これらの間 で熱伝導を行う。本発明のこの実施例では、格納容器２１２は、ヒート・シンク として機能する。空洞５０を冷却することによって、共振器の性能が向上する。

冷却手段２０２は熱安定回路２１４によって制御し、空洞５ｏの温度を受容可能 な許容誤差の範囲で一定の温度に保持し、更に共振器２００の温度安定性を改善 する。更に断熱を行うため、空洞５ｏを既知の種類の多層の超断熱材で包むこと が可能である。

誘電材料２２とポート１８の間でマイクロ波を容易に放射伝達するため、ポート １８を、既知のマイクロ波のフィールド・プローブ２２０によって空洞５ｏ内で 終了させる。、ポー目８に対するアクセスは、格納容器２１２に取り付けた外部 コネクタ２２２によって行われる。各外部コネクタ２２２には密閉ポート２１６ を設け、真空キャニスタ２０４内で真空のロスが発生しないことを保証する。

各コネクタ２２２は、同軸ケーブルまたはマイクロ波導波管のような適当なマイ クロ波伝導体２２４によってポート１８に接続する。

添付図の第８図に示すのは、温度安定回路２１４のブロック図である。この温度 安定回路２１４は、温度検知器１５０、ブリッジ１５２、ロックイン増幅器１５ ４、比例、積分及び微分制御装置１５６とサーボアンプ１５８によって構成され る。また、空洞１６０を図示する。この空洞１６０は、本発明の空洞１ｏ１３０ ．５０．７０または９０のいずれでもよい。６Ａ度検知器１５ｏ１ブリッジ１５ ２、ロックイン増幅器１５４、制御装置１５６とサーボアンプ１５８は、既知の 種類の１段の閉ループ制御装置を形成する。

添付図の第９図に示すように、これは温度安定回路２１４の他の実施例である。

再び、空洞１６０を示すが、これは本発明の空洞１０．３０．５０．７０または ９０のいずれかに対応する。２段の制御装置であるこの実施例には、２つの別個 の１段の閉ループ制御装置、粗制御装置１７６と微制御装置１８８が設けられて いる。祖制御装Ｆｔ　１７６は、温度検出器１７０、ロックイン増幅器１７２、 及びＰＩＤとサーボアンプ１７４によって構成される。この粗制御装置１７６は 、マイクロ波空洞の温度を比較的狭い範囲、例えばＯ，１℃内に保持する。微制 御装置１８８は、温度検出器１８０、ロックイン増幅器１８２、ＰＩＤとサーホ 増幅器１８４と微細ヒータまたは熱電モジュール１８６によって構成される。温 度検出器１８０を使用して誘電材料片２２の温度を直接検出する。ヒータまたは 熱電モジュール１８Ｇを使用して誘電材料片２２の温度を直接制御する。

粗制御装置１７６がマイクロ波空洞の温度を比較的狭い範囲内に保持するため、 微制御装置１８８は周辺温度の変化に影響されない。従って、微制御装置１８８ は、温度の微少変化に対してはるかに高感度に構成することができる。従って、 微制御装置１８８を使用して誘電材料２２の温度を一層高い精度で制御できる。

従って、粗制御装置１７６は周辺温度の変化に対してほぼ一定温度を保持し、− 万機制御装置１８８は誘電材料片の温度を非常に狭い範囲内に保持する。この２ 段υｊ御装置によって、誘電材料片の温度を摂氏数マイクロ度以内に制御するこ とが可能になる。

使用する場合、第６図と第７図に示すように、コネクタ２２２を介してマイクロ 波共振器２００を信号源に取り付ける。信号はマイクロ波伝導体２２４に沿って 流れ、空洞５０内に放射される。空洞５０の共振周波数に対応しない周波数とモ ードを有するこの信号の全ての成分は、フィールド・プローブ２２０で反射する 。従って、空洞５０の共振周波数に対応する信号成分のみが空洞５０内に存在す る。

空洞５０内の大部分の信号は、誘電材料２２内に含まれている。この誘電材料２ ２からの総ての漏洩は、壁部１２から反射して誘電材料２２に戻されるか、また はフィールド・プローブ２２０によって吸収されてマイクロ波伝導体２２４に沿 って伝導されるかのいずれかである。マイクロ波伝導体２２４に沿って送られる 信号は、マイクロ波共振器２００を取り付けた装置によって使用する。このよう な装置にはマイクロ波周波数の発信機とフィルタが含まれる。空洞５０内の損失 は誘電材料２２内の損失と空洞５０内の壁部内の損失にまで削減される。空洞５ ０の壁部を銅または銀のような電気抵抗の低い金属から製作することによって、 これらの壁部内の損失は無視てきる程度になる。従って、損失は主として誘電材 料２２の種類によって決まる。低い損失の接平面を有するサファイアは、非常に この目的に適した材料である。

更に、金属及び誘電材料双方の損失は、温度が低くなると低減される。冷却手段 ２０２は、−８０℃と５０℃の間で、従来技術の装置の極低温度と比較して周辺 温度に近い温度での冷却を行うように設計されている。本発明で極低温度の冷却 を行えば、更に性能を向上させるが、共振器２００の性能は現在でも既存の装置 を十分凌駕している。

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ＣＨ，ＣＺ、　ＤＥ、　ＤＫ、　ＥＳ、　ＦＩ、　ＧＢ、　ＨＵ、ＪＰ、ＫＰ、 ＫＲ，ＫＺ、ＬＫ、ＬＵ、ＭＧ、ＭＮ、ＭＷ、ＮＬ、Ｎｏ、ＮＺ、ＰＬ、ＰＴ、 ＲＯ，ＲＵ、ＳＤ。

ＳＥ、ＳＫ、ＵＡ、ＵＳ、ＶＮ （７２）発明者　イワノフ、エフゲニー・ニコライオーストラリア国、６００９ 　ウェスタン・オーストラリア、ネッドランズ、パーク・ロード　２１５ （７２）発明者　ブレアー、デイヴイッド・ジェラルドオーストラリア国、６０ ５５　ウェスタン・オーストラリア、ギルドフォード、ヘレナ・ストリート　６ １ （７２）発明者　ドーパ−、マイケル・ニドマントオーストラリア国、６００９ 　ウェスタン・オーストラリア、ネッドランズ、セント・コランバ・カレッジ（ 番地なし） （７２）発明者　サールズ、ジェシー・ハイフォーストラリア国、６１６０　ウ ェスタン・オーストラリア、フリーマントル、スティーヴンス・ストリート　６ （７２）発明者　エドワーズ、サイモン・ジョンオーストラリア国、６００９　 ウェスタン・オーストラリア、ネッドランズ、ダルキース・ロード　５

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．所望の周波数と特定の温度に於いて所望のモードで動作し、導電性のある内 面を有しほぼ円筒形で低損失の誘電材料片を含むほぼ円筒形の壁部によって少な くとも部分的に形成された空洞によって構成されたマイクロ波共振器の製造方法 であって、下記のステップを含むマイクロ波共振器の製造方法。 （１）所定の寸法のほぼ円筒形の低損失の第１誘電材料片を製造し、該第１誘電 材料片を空洞内に置いてマイクロ波共振器を製造するステップ。 （２）マイクロ波を上記空洞内に放射するステップ。 （３）上記特定の温度に於いて上記所望の動作モードに対応する上記第１片から の初期出力周波数を検出して測定するステップ。 （４）上記初期出力周波数と上記の所望の出力周波数の間の比に従って上記第１ 誘電材料片を縮小または拡大して、ほぼ円筒形の第２誘電材料片を製造するステ ップ。 （５）上記空洞の寸法と実質的に似た寸法を有するが、上記所望の出力周波数に より近い出力周波数を得るために上記の第２片の製造時の精度誤差を補償するよ うに、直径及び／または高さを変更した別の空洞を製造するステップ。 （６）上記第２片を上記別の空洞内に置いて上記所望のモードと上記所望の周波 数で動作する上記マイクロ波共振器を製造するステップ。 ２．上記別の空洞に温度制御手段を設け、上記出力周波数と上記の所望の出力周 波数の間の食い違いを更に削減するように、上記空洞の温度を実質的に変更する ことを特徴とする請求の範囲第１項記載の方法。 ３．上記第２片を動作中実質的に回転させることによって、上記共振器のＱを最 大にすると共に、存在するすべてのダブレットの数を最小にすることを特徴とす る請求の範囲第１項または第２項記載の方法。 ４．上記第２片が、上記空洞の上記円筒形壁部内に同軸に配設されることを特徴 とする請求の範囲第１項ないし第３項のいずれか１つに記載の方法。 ５．上記共振器が、−８０℃乃至＋５０℃の範囲内の温度で動作することができ ることを特徴とする請求の範囲第１項ないし第４項のいずれか１つに記載の方法 。 ６．上記共振器が、疑似ＴＭモード、疑似ＴＥモードまたはささやきの回廊モー ドで動作することができることを特徴とする請求の範囲第１項ないし第５項のい ずれか１つに記載の方法。 ７．上記空洞が、ＴＭ（３、１、ｄ）乃至ＴＭ（２０、１、ｄ）のモードの範囲 内で動作することができることを特徴とする請求の範囲第６項記載の方法。 ８．上記空洞が、ＴＭ（４、１、ｄ）乃至ＴＭ（７、１、ｄ）のモードの範囲内 で動作することができることを特徴とする請求の範囲第７項記載の方法。 ９．上記空洞が、ＴＥ（３、１、ｄ）乃至ＴＥ（２０、１、ｄ）のモードの範囲 内で動作することができることを特徴とする請求の範囲第６項記載の方法。 １０．上記空洞が、ＴＥ（４、１、ｄ）乃至ＴＥ（８、１、ｄ）のモードの範囲 内で動作することができることを特徴とする請求の範囲第９項記載の方法。 １１．上記空洞の内壁が、熱伝導率の高い材料によって形成されることを特徴と する請求の範囲第１項ないし第１０項のいずれか１つに記載の方法。 １２．上記空洞が、蓋部及び／またはベースによって更に構成されることを特徴 とする請求の範囲第１項ないし第１１項のいずれか１つに記載の方法。 １３．上記空洞が希望しないモードを抑制するように変更されることを特徴とす る請求の範囲第１２項記載の方法。 １４．上記蓋部または上記ベースにスロットを形成して、希望しないモードを抑 制することを特徴とする請求の範囲第１３項記載の方法。 １５．上記低損失誘電材料が、サファイアであることを特徴とする請求の範囲第 １項ないし第１４項のいずれか１つに記載の方法。 １６．冷却効果を高めるため、金属の取り付けロッド手段を上記の誘電材料内に 少なくとも部分的に位置させることを特徴とする請求の範囲第１項ないし第１５ 項のいずれか１つに記載の方法。