JPH11234008A - 誘電体共振器装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 誘電体共振器のＱｏを高め、また不要モード
の発生を抑えた平面回路型誘電体共振器を用いた誘電体
共振器装置を提供する。 【解決手段】 誘電体板１の両主面のそれぞれに、互い
に対向するスロット状の開口部４，５を形成するととも
に、そのスロット状の開口部を誘電体板１の端面にまで
延ばして開放面を形成する。またこの誘電体共振器と結
合するプローブ９，１０を上下の導体面６，７間の中央
位置に配置する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、マイクロ波帯や
ミリ波帯で用いられる誘電体共振器装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来より、誘電体フィルタなどの誘電体
共振器装置の小型化の要請に伴い、たとえば１９９６年
電子情報通信学会総合大会Ｃ−１２１「平面回路型誘電
体共振器を用いた準ミリ波バンドパスフィルタ」や、特
願平９−１０１４５８号「平面回路型誘電体共振器装
置」のような平面回路型の誘電体共振器装置が開発され
ている。

【０００３】上記平面回路型誘電体共振器は、誘電体板
の両主面のそれぞれに、互いに対向する円形の開口部を
有する電極を設けたものであり、これを２つの導体面間
に配置するとともにプローブを設けて誘電体共振器装置
を構成している。

【０００４】上記電極開口部で挟まれる誘電体板の一部
が誘電体共振器として作用し、隣接する誘電体共振器間
が結合するとともに、それぞれの誘電体共振器がプロー
ブと結合する。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】このような従来の平面
回路型の誘電体共振器装置においては、電極開口部付近
に磁界が集中するため、その部分で電流集中が生じ、Ｑ
ｏ（無負荷Ｑ）の低下要因の１つとなっていた。また、
共振器を構成した誘電体板の下部の空気層部分に励振プ
ローブを配置しているため、誘電体板を中心とする上下
の構造が非対称となって不要な共振モードが発生する要
因ともなっていた。

【０００６】この発明の目的は、共振器のＱｏを高めた
誘電体共振器装置を提供することにある。

【０００７】またこの発明の他の目的は、不要モードの
発生を抑えた平面回路型誘電体共振器を用いた誘電体共
振器装置を提供することにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】この発明は、共振器のＱ
ｏを高めるために、請求項１に記載のとおり、誘電体板
の両主面のそれぞれに、互いに対向する開口部を有する
電極を設けた誘電体共振器と、前記誘電体板の両主面か
らそれぞれ隔てられた２つの導体面とを備えて成る誘電
体共振器装置において、前記開口部を、前記誘電体板の
少なくとも一方の端面にまで延びるスロット状に形成す
る。

【０００９】この構造によれば、磁界の集中する部分に
電極が殆どなく、電極の表面電流の集中する箇所が大幅
に少なくなる。その結果、全体の電流損が抑えられ、共
振器のＱｏの低下が抑えられる。

【００１０】上記の複数の誘電体共振器を結合させる場
合、請求項２に記載のとおり、前記開口部が延びる誘電
体板の端面同士を対向させて、誘電体共振器を複数個配
置する。このように複数の誘電体共振器を結合させるこ
とによって、複数段の共振器が順次結合された、例えば
帯域通過フィルタを構成することができる。

【００１１】また、請求項３に記載のように、上記の開
口部が延びる誘電体板の端面同士の対向位置に誘電体部
材を介在させれば、この誘電体部材の実効誘電率によっ
てその誘電体部材を挟む２つの誘電体共振器間の結合度
が変化するため、誘電体部材を部分的に穿設することに
よって結合度を設定できるようになる。

【００１２】また、この発明は、誘電体共振器を構成し
た誘電体板上下の導体面と誘電体共振器と結合するプロ
ーブなどの励振手段の位置関係による不要な共振モード
の発生を抑えるために、請求項４に記載のとおり、前記
誘電体板の両主面と前記２つの導体面との間隔をそれぞ
れほぼ同一とし、前記誘電体共振器と電磁界結合する励
振手段を、前記２つの導体面間のほぼ中央位置を中心と
する対称構造とする。この構造によって２つの導体面間
に電界分布が向く不要な共振モードの伝搬が、その対称
性により打ち消される。

【００１３】ここで、上記不要な共振モードの抑圧につ
いて説明する。図１３は、励振方法として同軸プローブ
を選び、励振位置の異なる２つの例を示している。
（Ａ）は励振位置を誘電体板１の中央の高さに選んだ場
合、（Ｂ）は励振位置を誘電体板１の中央の高さからず
れた位置に選んだ場合である。（Ａ）の場合、励振プロ
ーブと誘電体板上の上下の電極間に、同図に示すような
電界が発生する。この電界は２つの導体面間に電界分布
が向く不要な共振モードと容易に結合する。しかし誘電
体板の中央に励振プローブを配置した場合、励振プロー
ブと上面の電極２との間に発生する電界ａと、下面の電
極３との間に発生する電界ｂとは、互いに逆位相で大き
さが等しいため相殺して、不要な共振モードが抑圧され
る。これによりスプリアスの少ない誘電体共振器装置が
得られる。一方、図１３の（Ｂ）の場合、発生する電界
ａ′とｂ′は大きさが異なるため、あまり相殺されず
に、不要モードとなって伝搬していくことになる。

【００１４】上記の励振手段としては、請求項５に記載
のように、ストリップ線路によるプローブにより構成で
きる。また請求項６に記載のように、２つの導体面の間
に誘電体ストリップを配して非放射性誘電体線路として
設けてもよい。

【００１５】また、個々の誘電体共振器を別々の誘電体
板に構成することができるので、請求項７に記載のとお
り、複数の前記誘電体共振器のうち所定の誘電体共振器
にそれぞれ結合する位置に励振手段を設けて、信号の入
力部、出力部および入出力部とすることによって、例え
ばアンテナデュプレクサのような入出力共用器が構成で
きる。

【００１６】

【発明の実施の形態】この発明の第１の実施形態に係る
誘電体フィルタの構成を図１〜図４を参照して説明す
る。

【００１７】図１の（Ａ）は誘電体フィルタの斜視図、
（Ｂ）はその断面図である。この図において１が誘電体
板であり、その両主面に、互いに対向するスロット状の
開口部４，５を有する電極２，３を形成している。この
構造により、スロット状の開口部４，５の対向する誘電
体板の一部が誘電体共振器として作用する。９，１０は
誘電体板１と略同一高さに設けたプローブであり、例え
ば同軸コネクタの中心導体から突出させたものである。
誘電体板１の図における上下面には、誘電体板１からそ
れぞれ等しく隔てた２つの導体面６，７を設けている。

【００１８】この導体面６，７と誘電体板１表面の電極
２，３との間隔ｔａは、誘電体共振器の共振周波数信号
を減衰させるに要する間隔としている。すなわち遮断周
波数が誘電体共振器の共振周波数より高くなるようにし
ている。したがって、この導体面６，７と電極２，３に
より挟まれる空間では電磁波が伝搬されず、電極開口部
４，５部分にエネルギーが閉じ込められる。その結果、
放射損が抑えられ、Ｑｏの低下が抑えられる。

【００１９】図２は図１に示した誘電体フィルタのスロ
ット状開口部のスロットの延びる方向での断面における
電磁界分布を示す図である。同図において実線は電界、
破線は磁界の分布をそれぞれ示している。このように誘
電体共振器は、スロット状開口部のスロットの延びる方
向に磁界ループの面が生じ、プローブ９，１０とそれぞ
れ磁界結合することになる。図２において共振空間を領
域Ａと領域Ｂとに分けて考えた場合、電磁界エネルギー
は領域Ｂにも存在する。従って誘電体板１の電極の存在
する領域に磁界が集中することがなく、その部分での導
体損は生じない。そのために共振器のＱｏが低下するこ
とがない。

【００２０】図３は図１および図２に示した構造の誘電
体フィルタのより具体的な構造の例を示す断面図であ
る。１１，１２は誘電体板１を所定位置に保持する導電
体ケースであり、それぞれの内面が誘電体共振器に対向
する導体面として作用する。この構造によって誘電体板
を上下２つの導体面の中央位置に配置することができ
る。また図１に示したプローブ９，１０は、励振プロー
ブを突出させた同軸コネクタを、導電体ケース内の高さ
方向の中央にプローブが位置するように、導電体ケース
１２の側面に取り付ければよい。

【００２１】次に、誘電体フィルタの全長と無負荷Ｑ
（Ｑｏ）との関係、および誘電体板長と誘電体フィルタ
の全長との関係を図４に示す。ここでは、誘電体共振器
の共振周波数を３０ＧＨｚ、誘電体板の比誘電率を２４
とし、図１に示した各部の寸法をｔｄ＝１．０ｍｍ、ｔ
ａ＝０．８ｍｍ、ｗ＝０．８ｍｍとしている。なお、電
極２，３はＡｕ電極としている。

【００２２】図４において、図１に示した誘電体フィル
タを「両端開放型」として示している。また、比較のた
めに、誘電体板の両主面のそれぞれに互いに対向する矩
形の開口部を有する電極を設けた誘電体共振器を、「両
端短絡型」として示している。ここで、全長と誘電体板
長は図１に示したＬ１とＬ０にそれぞれ対応する。

【００２３】無負荷Ｑの低下要因としては、主に導体
損、誘電体損、放射損がある。このうち本願のような平
面誘電体線路型共振器においては導体損が支配的であ
る。導体損はジュール損に比例し、ジュール損は電流の
２乗に比例するため、電極部分を流れる総電流量が同じ
であっても、電流集中が生じると、その分ジュール損が
増し、無負荷Ｑの低下につながる。両端開放型の場合、
誘電体フィルタの全長Ｌを大きくする程、磁界の集中が
緩和されるため、図４の（Ａ）に示すように、無負荷Ｑ
が増大する。一方、両端短絡型の場合には、殆どその短
絡部分での導体損によって無負荷Ｑが決定され、全長を
長くしても高い無負荷Ｑが得られない。

【００２４】また全長を同一とすれば、両端開放型の方
が両端短絡型より誘電体板長を短くすることができる。
この理由を次に説明する。

【００２５】まず、両端短絡型の誘電体共振器の電磁界
分布の例を図１２に示す。図１２において共振空間を領
域Ａと領域Ｂとに分けて考えた場合、電磁界エネルギー
は領域Ｂには殆ど存在しない。これに対して、図２に示
した両端開放型の誘電体共振器の場合、電磁界エネルギ
ーは領域Ｂにも存在する。特に、この共振器の領域Ｂへ
の漏洩エネルギーは磁界エネルギーが支配的である。共
振周波数は電界エネルギーと磁界エネルギーによって決
まり、摂動理論によれば磁界エネルギーの減少は共振周
波数の低下につながることが知られている。そのため、
両端開放型共振器を同じ長さをもつ両端短絡型共振器に
比較した場合、エネルギーがほぼ完全に閉じ込められる
両端短絡型よりも両端開放型の方が磁界が漏洩する分だ
け共振周波数は低くなる。周波数が低くなった分は誘電
体板の長さを短くすることで補正できるので、両端開放
型と両端短絡型とで共振周波数が等しくなるように誘電
体板の長さを選んだとすれば、その長さは当然に両端開
放型の方が短くなる。

【００２６】次に、第２の実施形態に係る誘電体フィル
タの構成を図５に示す。ここでは、それぞれに誘電体共
振器を設けた３つの誘電体板を用いる。同図において８
ａ，８ｂ，８ｃがそれぞれ誘電体共振器であり、誘電体
板の両主面にそれぞれ互いに対向するスロット状開口部
を設けた電極を形成している。４は上面のスロット状開
口部である。そして、隣接する誘電体板を、スロット状
開口部が延びる誘電体板の端面同士を対向させて配置す
るとともに、その対向位置に誘電体部材からなるスペー
サ（以下「誘電体スペーサ」という。）１３を介在させ
ている。そして、両側の誘電体共振器８ａ，８ｃにそれ
ぞれ結合するプローブ９，１０を設けている。

【００２７】図５の（Ｂ）は誘電体共振器同士の結合の
様子を示す図であり、破線は磁界分布を示している。こ
のように隣接する誘電体共振器同士が磁界結合するが、
途中に誘電体スペーサ１３を設けているので、この誘電
体スペーサ１３に結合調整用穴１４を穿設することによ
って、誘電体スペーサ１３の実効誘電率を調節すれば、
隣接する誘電体共振器同士の結合度を設定できるように
なる。

【００２８】図６は第３の実施形態に係る誘電体フィル
タの構成を示す一部破断概略斜視図である。同図におい
て１５，１７はそれぞれ誘電体板であり、その一方の主
面にストリップ導体１６，１８をそれぞれ形成してい
て、これらのストリップ導体１６，１７が上下の導体面
の間の中央位置となるように配置している。これらのス
トリップ導体１６，１７、誘電体板１５，１７、および
上下の導体面によって、それぞれサスペンデッドライン
によるプローブを構成する。誘電体共振器８の構成は第
１・第２の実施形態のものと同様であり、上下の導体面
間の中央位置に配置している。したがって、上記プロー
ブは誘電体共振器８と磁界結合することになる。

【００２９】図７は第４の実施形態に係る誘電体フィル
タの構成を示す一部破断概略斜視図である。図６の場合
とは異なり、ここではストリップ導体１６，１８をそれ
ぞれ設けた誘電体板１５，１７を誘電体共振器８の誘電
体板上に積層している。このような場合でも誘電体板１
５，１７の厚みを薄くすることによって上下の導体面間
の中央にストリップ導体１６，１８を配置することがで
き、不要モードの発生が抑制される。

【００３０】図８の（Ａ）は第５の実施形態に係る誘電
体フィルタの構成を示す一部破断概略斜視図であり、
（Ｂ）はそのスロット状の電極開口部を通る断面図であ
る。この例では、誘電体板１の両主面のそれぞれに、互
いに対向するスロット状の開口部４，５を有する電極
２，３を設けている。スロット状の開口部４，５は誘電
体板１の一方の端面にのみ延びていて、その端面に対向
する他方の端面は上下の電極２，３を連続する電極を形
成していて短絡面としている。このような一方開放型の
誘電体共振器の場合、同図の（Ｂ）に示すように磁界が
分布する。したがって、スロット状開口部が延びる誘電
体板の端面に対向する位置にプローブ９等の励振手段を
設けて誘電体共振器との結合をとる。この誘電体フィル
タは、たとえば誘電体共振器の共振周波数を減衰させる
トラップとして用いることができる。

【００３１】図９は第６の実施形態に係る誘電体フィル
タの構成を示す図であり、（Ａ）は一部破断概略斜視
図、（Ｂ）は（Ａ）における長軸方向で且つ誘電体板に
垂直な面での断面図である。この例では、単一の誘電体
板１の両主面のそれぞれに、互いに対向するスロット状
の開口部４ａ，５ａ、４ｂ，５ｂ、４ｃ，５ｃをそれぞ
れ設けて３つの誘電体共振器を構成している。それぞれ
の共振器の磁界分布は同図の（Ｂ）に示すとおりであ
り、隣接する共振器同士が磁界結合し、両側の共振器が
プローブ９，１０にそれぞれ磁界結合する。この構造に
よって、単一の誘電体板を用いながら、３段の共振器か
らなる帯域通過フィルタが得られる。

【００３２】図１０は第７の実施形態に係る誘電体フィ
ルタの構成を示す図であり、（Ａ）はその主要部の一部
破断概略斜視図、（Ｂ）はその断面図である。１９，２
０はそれぞれ上下の導体面６，７を成す導体板の間に配
置した誘電体ストリップであり、これらの誘電体ストリ
ップ１９，２０と上下の導体面６，７とによって非放射
性誘電体線路（ＮＲＤガイド）を構成している。そし
て、誘電体ストリップ１９，２０のそれぞれの端面に挟
まれる位置に誘電体共振器８を配置している。この誘電
体共振器８は誘電体板の両主面のそれぞれに互いに対向
するスロット状の開口部を有する電極を設けた両端開放
型の誘電体共振器であり、上下の導体面６，７間の略中
央位置に導体面６，７に対して平行に配置している。誘
電体共振器とＮＲＤガイドの電磁界分布は同図の（Ｂ）
に示すようになり、ＮＲＤガイドと誘電体共振器とは磁
界結合する。この構造によって、誘電体共振器８はＮＲ
Ｄガイドの途中に挿入された帯域通過フィルタとして作
用する。

【００３３】図１１は第８の実施形態に係る誘電体共振
器装置の構成を示す一部破断概略斜視図である。図１０
の例ではＮＲＤガイドを伝送路および誘電体共振器の入
出力部として用いたが、この図１１に示す例では、平面
誘電体線路（いわゆるＰＤＴＬ）を伝送路および誘電体
共振器の入出力部として用いている。（本願出願人はＰ
ＤＴＬに関し特願平７−６９８６７号を出願してい
る。）すなわち誘電体板２１，２２の両主面のそれぞれ
に、互いに対向するスロット状の開口部を有する電極を
設けて平面誘電体線路（ＰＤＴＬ）を構成している。そ
して、２つのＰＤＴＬで挟まれる位置に誘電体共振器８
を配置している。ＰＤＴＬおよび誘電体共振器８は上下
の導体面間の略中央位置に導体面に対し平行に配置して
いる。この構造によってＰＤＴＬと誘電体共振器はやは
り磁界結合し、ＰＤＴＬの途中にフィルタとしての誘電
体共振器を挿入した構造の誘電体共振器装置が得られ
る。

【００３４】

【発明の効果】請求項１に係る発明によれば、電極開口
部が誘電体板の少なくとも一方の端面にまで延びるスロ
ット状であるため、磁界の集中する部分に電極が殆どな
く、電極の表面電流の集中する箇所が大幅に少なくな
る。その結果、全体の電流損が抑えられ、共振器のＱｏ
の低下が抑えられる。

【００３５】請求項２に係る発明によれば、複数段の共
振器が順次結合された、例えば帯域通過フィルタ等を容
易に構成することができる。

【００３６】請求項３に係る発明によれば、誘電体部材
を部分的に穿設することによって結合度を容易に設定で
きるようになる。

【００３７】請求項４に係る発明によれば、２つの導体
面間の不要な共振モードの伝搬が、打ち消され、スプリ
アスの少ない誘電体共振器が得られる。

【００３８】請求項５に係る発明によれば、誘電体板上
の線路によって励振手段を構成できるため、誘電体共振
器とともに、導電体ケース内に容易に設けられる。

【００３９】請求項６に係る発明によれば、非放射性誘
電体線路を用いた高周波回路に誘電体フィルタを容易に
設けられる。

【００４０】請求項７に係る発明によれば、例えばアン
テナデュプレクサのような入出力共用器が容易に構成で
きる。

【図面の簡単な説明】

【図１】第１の実施形態に係る誘電体フィルタの構成を
示す概略斜視図および断面図

【図２】同誘電体フィルタの電磁界分布の例を示す図

【図３】誘電体フィルタ全体の具体的構成例を示す断面
図

【図４】第１の実施形態に係る誘電体フィルタの寸法と
無負荷Ｑ等との関係を示す図

【図５】第２の実施形態に係る誘電体フィルタの一部破
断概略斜視図および断面図

【図６】第３の実施形態に係る誘電体フィルタの一部破
断概略斜視図

【図７】第４の実施形態に係る誘電体フィルタの一部破
断概略斜視図

【図８】第５の実施形態に係る誘電体フィルタの一部破
断概略斜視図および断面図

【図９】第６の実施形態に係る誘電体フィルタの一部破
断概略斜視図および断面図

【図１０】第７の実施形態に係る誘電体フィルタの一部
破断概略斜視図および断面図

【図１１】第８の実施形態に係る誘電体フィルタの一部
破断概略斜視図

【図１２】両端短絡型誘電体共振器を用いた誘電体フィ
ルタの電磁界分布の例を示す図

【図１３】励振手段としてのプローブと誘電体共振器と
の位置関係、および不要モードとの関係を示す図

【符号の説明】

１−誘電体板 ２，３−電極 ４，５−スロット状開口部 ６，７−導体面 ８−誘電体共振器 ９，１０−プローブ １１，１２−ケース １３−誘電体スペーサ １４−結合調整用穴 １５，１７−誘電体板 １６，１８−ストリップ導体 １９，２０−誘電体ストリップ ２１，２２−誘電体板 ２３，２４−電極

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 平塚 敏朗 京都府長岡京市天神二丁目26番10号 株式 会社村田製作所内

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 誘電体板の両主面のそれぞれに、互いに
   対向する開口部を有する電極を設けた誘電体共振器と、
   前記誘電体板の両主面からそれぞれ隔てられた２つの導
   体面とを備えて成る誘電体共振器装置において、 前記開口部を、前記誘電体板の少なくとも一方の端面に
   まで延びるスロット状に形成したことを特徴とする誘電
   体共振器装置。
2. 【請求項２】 前記開口部が延びる誘電体板の端面同士
   を対向させ、前記誘電体共振器を複数個配置して、当該
   複数の誘電体共振器を結合させたことを特徴とする請求
   項１に記載の誘電体共振器装置。
3. 【請求項３】 前記開口部が延びる誘電体板の端面同士
   の対向位置に誘電体部材を介在させたことを特徴とする
   請求項２に記載の誘電体共振器装置。
4. 【請求項４】 前記誘電体板の両主面と前記２つの導体
   面との間隔をそれぞれほぼ同一とし、前記誘電体共振器
   と電磁界結合する励振手段を、前記２つの導体面間のほ
   ぼ中央位置を中心とする対称構造としたことを特徴とす
   る請求項１〜３のうちいずれかに記載の誘電体共振器装
   置。
5. 【請求項５】 前記励振手段を、誘電体板に形成したス
   トリップ線路によるプローブとしたことを特徴とする請
   求項４に記載の誘電体共振器装置。
6. 【請求項６】 前記励振手段を、前記２つの導体面の間
   に誘電体ストリップを配して成る非放射性誘電体線路と
   したことを特徴とする請求項４に記載の誘電体共振器装
   置。
7. 【請求項７】 請求項４〜６のうちいずれかに記載の励
   振手段を、複数の前記誘電体共振器のうち所定の誘電体
   共振器にそれぞれ結合する位置に設けて、信号の入力
   部、出力部および入出力部をそれぞれ構成したことを特
   徴とする入出力共用器。