JP2000509584A - 高ｑ共振器からなる”デュアルモード”マイクロ波帯域フィルタ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 本発明の対象は、少なくとも１枚の高温超伝導膜上に配置されている、それぞれ球状に形成された誘電体と、高温超伝導フィルムの上方に配置され、前記誘電体を取り囲んでいる遮蔽箱と、双極子モード並びに他の結合要素と同調要素を結合する結合機構とを有する共振器からなるデュアルモード帯域フィルタである。

Description

【発明の詳細な説明】 高Ｑ共振器からなる”デュアルモード”マイクロ波帯域フィルタ 技術分野 本発明は、少なくとも１枚の高温超伝導体膜上に配置されたそれぞれ１個の誘 電体、前記高温超伝導体膜上に配置され、前記誘電体を取り囲んでいる遮蔽箱な らびに２つの双極子（ダイポール）モードを、とくにマイクロ波を、使用双極子 モードの電磁場に結合するための結合機構を有する２つの双極子モードのための 共振器からなるデュアルモード二極フィルタ、たとえばマイクロ波用帯域フィル タに関するものである。本発明は、さらに、多極デュアルモードフィルタに関す るものでもある。 背景技術 衛星通信技術の場合、マイクロ波領域（４−２０ＧＨｚ）の帯域フィルタが個 別通信チャネルの予選択に際して重要な役割を演じる。そこでは、通常、空洞共 振器を基礎としたフィルタを有するアナログマルチプレクサ（合波器）が用いら れ、個別共振器のＱ値は数１０⁴の範囲にある。普通は円筒形空洞共振器が、た いていの場合、いわゆる”デュアルモード”で、すなわち、円平面内電磁場の優 先方向の直交双極子モードで、駆動される。これにより、１個の共振器で、１個 のフィルタの２つの極を実現できることになる。すなわち、”デュアルモード” 共振器を基礎としたｎ極フィルタはｎ／２個の共振器からなることになる。 衛星通信技術の場合、今日では、一方ではフィルタを小型化すること、他方で は、とりわけ出力マルチプレクサについて、挿入減衰を減少させることが重要で ある。後者は、通常は真空管増幅器（進行波管増幅器）によって発生される出力 段階の高周波電力を減少させうることにつながる。挿入減衰は、個別共振器のＱ 値の上昇とともに、減少する。 アメリカ特許第４，４８９，２９３号から、誘電体共振器を基礎とした顕著に 小型化された”デュアルモード”フィルタが知られている。そこでは、円筒形誘 電体のＨＥ₁₁₁モードが利用され、それが２つの直交双極子モードに分割される ようになっている。 上記技術水準において記載されている装置のさらなる小型化は、たとえば、円 筒形誘電体共振器をその底面に平行に二等分し、高温超伝導体からなる膜を装着 することによって、達成される。これにより、共振器の体積が半減される（イメ ージ面、ｉｍａｇｅ ｐｌａｎｅ）。 これらの装置の欠点は、採用されたＨＥ₁₁₁モードにおいて、金属遮蔽箱が損 失に寄与するために、Ｑ値が１０⁴領域内にすぎない原因となることにある。こ れには次の原因がある： 金属製シールドをもつ誘電体共振器の無負荷時のＱ値Ｑ₀は、式 Ｉ／Ｑ₀＝ｔａｎδ＋ΣＲ_s,i／Ｇ_i （１） によって与えられる。ここに、ｔａｎδは誘電体共振器を構成する材料の誘電正 接（損失係数）である。サファイア、ＬａＡｌＯ₃、ルチルなどの若干の誘電体 は、Ｔ＝１００Ｋより低い温度で、数１０^-6またはそれよりもさらに小さいｔａ ｎδ値を示すので、原理的には、冷却下の誘電体共振器をもってすれば１０⁵〜 １０⁶の間のＱが可能であろう。しかし、それぞれ壁材料の表面抵抗Ｒ_s,iおよび ジオメトリー係数Ｇ_iによって特徴付けられる金属製遮蔽箱の壁の種々の部分ｉ における損失によって、限界が生じる。後者のジオメトリー係数は、共振器のそ れぞれの振動モードに対する電磁場の分布から生じる。前記の技術水準で用いら れている振動モードの場合、ジオメトリー係数はきわめて低いので、通常伝導性 の銅ケーシングの場合で、Ｑ値は約１０⁴である。超伝導性「イメージ面」がよ り高いＱに導くことはない。内壁の残りの通常伝導性の部分での損失が、また誘 電体内における損失もが、優勢だからである。 ＷＯ９３／０９５７５から、高温超伝導体膜からなる２枚の端板をもつ円筒形 誘電体共振器が既知である。これによって、１０⁶の領域のＱが実証された。そ こで用いられたＴＥ₀₁₁振動モードにおいては、前記円筒の通常伝導性外被のジ オメトリー係数が十分に大きいからである。しかし、界磁分布の回転対称性のた めに、このモードは双極子モードではなく、従って、ここでは、”デュアルモー ド” 運転は不可能である。 発明の開示 それゆえ、本発明の課題は、個別共振器のＱ値が１０⁵〜１０⁶であるデュアル モードフィルタを提供することである。 前記の課題は、本発明の二極フィルタに関しては、誘電体を半球形に構成する ことによって、解決される。二より多極のフィルタの実現は、請求項１３に従っ て解決される。 請求項１に従って誘電体を造形することにより、遮蔽箱の曲面は、１枚または ２枚以上の高温超伝導体膜（ＨＴＳ膜）を用いて前記課題で要求されているＱを 得るのに十分に大きいジオメトリー係数を示す。 従属請求項２〜５は、双極子モードの共振周波数の調整ならびに双極子モード 間の結合の調整のために双極子モードを電磁場に結合するための好都合な特徴を 含んでいる。 本発明のさらなる利点は、従属請求項６−１０ならびに１２および１３に挙げ られている。 図面の簡単な説明 本発明の実施形態を、以下、図面を参照して、より詳細に説明する。 図１ａは、本発明のデュアルモード二極フィルタ１の側面図を概念的に示して おり； 図１ｂは、図１ａのデュアルモード二極フィルタの概念的平面図を示しており ； 図２は、本発明のデュアルモード二極フィルタの概念的平面図を示しており； 図３ａは、本発明に従った共振器における電場分布の計算された例の概念的側 面図を示しており； 図３ｂは、図３ａの例の概念的平面図を示しており； 図４ａは、本発明に従った共振器における磁場分布の計算された例の概念的側 面図を示しており； 図４ｂは、図４ａの例の概念的平面図を示している。 発明を実施するための最良の形態 図１ａには、本発明のデュアルモード二極フィルタ１が側面図で概念的に示さ れている。誘電体半球として構成された誘電体３（たとえばＬａＡｌＯ₃からな る）が、超伝導体膜（以下ＨＴＳ膜という）上に配置されている。本発明は、単 −ＨＴＳ膜の配置に限定されるものではなく、他の実施態様においては、円筒形 遮蔽箱７の上端板としてもう１枚のＨＴＳ膜を設けることもできる。金属製遮蔽 箱７は、長方形、円筒形または半球形にも構成することができ、たとえば好まし くは良伝導性金属、たとえば銅からなっている。 ”デュアルモード”の両双極子モードへの結合は、電場への結合のための線形 同軸アンテナ（図１ａおよび１ｂ）または磁場への結合のための同軸ループ（図 示されていない）を結合要素９とする結合機構により行われる。結合要素９は、 孔１１を通り抜けて、超伝導性膜５中へ導かれている。 フィルタ１の運転のために必要な双極子モードの共振周波数の調整は、一つの 平面内で結合要素９に対して向かい合って配置されている、たとえばサファイア からなる長さ方向に位置調節可能な誘電体桿状体１３を介して行われる。 双極子モード間結合の調整は、好ましくは双極子モードの配向に対して４５° の角をなして配置されているさらなる位置調節可能な誘電体桿状体１５（図１ｂ ）を介して行われる。 図２は、２つの”デュアルモード”共振器１、１からなる四極フィルタを示し ている。両共振器１、１間の結合は、両半球の間隔を介して規定され、場合によ り半球間のさらなる位置調節可能な誘電体桿状体により調整できる。４より多く の極をもつフィルタを実現するために、より多くの半球を、図２に示したように して、並べて配置することができる。その場合、それらの半球は必ずしも一列に 配置しなければならないわけではない。 金属性遮蔽箱７は、該保護箱内での損失があまり大きくならないように、すべ ての部位において、半球面から少なくとも半球の直径に相当する間隔をもってい るべきである。 図３および４は、コンピュータコード「ＭＡＦＩＡ」〔Ｄ．Ｓｃｈｎｉｔｔお よびＴ．Ｗｅｉｌａｎｄ．ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓ．Ｍａｇｎ．２８，１７９３（ １９９２）〕を用いて計算した球内の場の分布を示しているが、それらから、モ ードの双極子性が明瞭に読み取れる。電磁場の対称性は、先に引用したＷＯ９３ ／０９５７５から既知の、一つの誘電体全球中に三重に縮退している、すなわち ３つの直交配向で存在している円筒形誘電体共振器のＴＥ₀₁₁モードに相当する ものである。金属板（たとえばＨＴＳ膜）の上に載っている一つの誘電体半球内 で、三つのモードのうちの二つが依然として得られる。これは、前記金属板が、 二重に縮退しているモードの対称軸に垂直な共振器の「イメージ面」を描くこと を意味している。 以下に、一計算例において説明するように、金属性遮蔽箱の曲面の損失への寄 与はきわめて僅かである。これは、技術水準において記載されている配置とは対 照的に、ここでは、半球内の電場が主として球面に平行に走っていることによる のである（図３ａ）。 図３および４に示した計算例の場合、半球の直径は９．６ｍｍである。半球材 料の誘電率は２３．４である（ＬａＡｌＯ₃）。円筒形遮蔽箱の直径／高さは、 ２６／１４ｍｍである。計算により、６．５８ＧＨｚの共振周波数が得られ、モ ードは共振器の基準モード（最低共振周波数）である。計算されたジオメトリー 係数は、下面（超伝導膜）については１１４Ω、上額面については１６３００Ω であり、外被面については１０４００Ωである。これらより、式１に従って、温 度７７Ｋのとき、前記共振周波数における典型的Ｒs値を銅で約０．０１Ω、高 温超伝導体膜で約０．０００２Ωであるとして、壁損失により生じるＱ値として １枚／２枚の超伝導性端板につき３０００００／３７００００が得られる。Ｌａ Ａ１０₃の損失への寄与がほぼそのような大きさであるので、約１５００００と いう総Ｑ値を見込むことができる。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １． 少なくとも１枚の高温超伝導体膜上に配置されたそれぞれ１個の誘電体、 前記高温超伝導体膜上に配置され、前記誘電体を取り囲んでいる遮蔽箱ならびに 双極子モード結合のための結合機構を有する２つの双極子モードのための共振器 からなるデュアルモード二極フィルタであって、前記誘電体（３）が半球形に構 成されていることを特徴とする前記デュアルモード二極フィルタ。 ２． 前記結合機構が二つの結合要素（９）を有すること、および、前記少なく とも一枚の高温超伝導体膜（５）に、それぞれに一つの結合要素（９）を受け入 れるための孔（１１）が構成されていることを特徴とする請求項１のデュアルモ ード二極フィルタ。 ３． 前記少なくとも１枚の高温超伝導体膜（５）または前記遮蔽箱（７）内に 双極子モードの共振周波数調整のための誘電体桿状体（１３、１５）が配置され ていることを特徴とする請求項１または２のデュアルモード二極フィルタ。 ４． 前記誘電体桿状体（１３、１５）が一つの平面内で前記結合要素（９）と 向かい合っており、長さ方向に調節できることを特徴とする請求項３のデュアル モード二極フィルタ。 ５． 前記少なくとも１枚の高温超伝導体膜（５）または前記遮蔽箱（７）内に 双極子モード間の結合を調節するための誘電体桿状体（１５）が配置されている ことを特徴とする請求項１−４のいずれかのデュアルモード二極フィルタ。 ６． 前記誘電体（３）がＬａＡｌＯ₃であることを特徴とする上記請求項のい ずれかのデュアルモード二極フィルタ。 ７． 前記遮蔽箱（７）が良伝導性金属からなることを特徴とする上記請求項の いずれかのデュアルモード二極フィルタ。 ８． 前記誘電体桿状体（１３、１５）がサファイアからなることを特徴とする 上記請求項のいずれかのデュアルモード二極フィルタ。 ９． 前記結合要素（９）が線状同軸アンテナであることを特徴とする請求項２ −８のいずれかのデュアルモード二極フィルタ。 １０．前記結合要素（９）が同軸ループであることを特徴とする請求項２−８の いずれかのデュアルモード二極フィルタ。 １１．請求項１−１１のデュアルモード二極フィルタの少なくとも二つ（１、１ ）によって特徴付けられた多極デュアルモードフィルタ。 １２．半球形誘電体（３）が並んで配置されていることを特徴とする請求項１１ の多極デュアルモードフィルタ。 １３．前記少なくとも二つの半球形誘電体（３）の間隔が両共振器（１、１）間 の結合を規定していることを特徴とする請求項１１または１２の多極デュアルモ ードフィルタ。