JP2004129146A - 誘電体共振器フィルタ - Google Patents

Abstract

【課題】通過帯域より高域での不要モードを緩和し、低損失で急峻な通過帯域を有する特性の優れた誘電体共振器フィルタを提供する。
【解決手段】不要モードを発生する原因となっている段間結合調整手法に着目し、段間結合調整手法を行う位置を、誘電体共振器間の中心位置上で金属筐体位置の中心からある距離をもって下方へ下げることで、誘電体共振器の不要モードと段間結合調整ボルトが結合することによって生じる不要モードを低減し、なおかつフィルタ特性の調整作業を簡略化することが可能な誘電体共振器フィルタを得る。
【選択図】　図７

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、移動体通信基地局において受信フィルタ，送信フィルタ，アンテナ共用器等として用いられる誘電体共振器フィルタに関する。
【０００２】
【従来の技術】
これまで、携帯電話などの移動体通信やインターネットモバイルなどの急速な発展により、誘電体共振器をもちいた誘電体フィルタの需要が伸びている。このような誘電体フィルタは、特定の周波数帯域の信号のみを通過させるための帯域通過フィルタ（バンドパスフィルタ）として用いられている。
【０００３】
例えば、受信系においては仕様が異なる周波数帯域を使用する通信システムの信号を除去するために受信フィルタが用いられ、送信系においては、その仕様が異なる周波数帯域を使用するシステムに不要な電波を送信しないために送信フィルタが用いられている。誘電体フィルタは、小型・軽量であるので基地局塔頂部への設置が容易で、基地局としての受信感度・電力効率を確保しうる程度に低損失で、隣接する通信システムの周波数帯域との間隔の狭小化に対応するような急峻なフィルタ特性を有する。誘電体フィルタは複数個の誘電体共振器を結合して構成されており、種々の形状のものが提案されている。
【０００４】
図７は、従来の３段式誘電体共振器フィルタの例を概略的に示す外形図である。図７に示すように、誘電体共振器フィルタの筐体１には外部からの高周波信号を入出力するための同軸コネクター入出力端子２、３、共振器間の電磁界結合の結合強度を調整するための段間結合調整ボルト４ａ、４ｂ、各誘電体共振器の共振周波数を調整するための共振周波数調整部材５ａ〜５ｃが取り付けられている。
【０００５】
図８（ａ）は図７の一点破線で示すＡ面，図８（ｂ）は図７の一点破線で示すＢ面でそれぞれ切断した誘電体共振器フィルタの断面図である。同図に示すように、従来の誘電体共振器フィルタは、誘電体粉末を焼結することにより成形された３個の円柱状の誘電体共振器６ａ〜６ｃを備えている。各誘電体共振器６ａ〜６ｃの共振周波数は、円柱形状の高さ及び直径により決定される。
【０００６】
この例では、３個の誘電体共振器６ａ〜６ｃが３段の帯域通過フィルタとして動作する。誘電体共振器フィルタの筐体１は、底壁と側壁とによって構成される筐体本体７と、筐体蓋８と、筐体本体７によって囲まれる空間を小部屋に仕切る互いに連結された隔壁９ａ、９ｂとによって構成されている。そして、各誘電体共振器６ａ〜６ｃは、筐体７の隔壁９ａ、９ｂによって仕切られた各小部屋に１つずつ配設されている。また、２つの隔壁９ａ、９ｂと筐体本体７の側壁との間には、各共振器間の電磁界結合をとるための段間結合調整窓１０ａ、１０ｂが設けられている。
【０００７】
各段間結合調整窓１０ａ、１０ｂには、共振器間の電磁界結合の結合強度を調整するための段間結合調整ボルト４ａ、４ｂが配設されている。この段間結合調整ボルトは筐体本体の高さの１／２の位置に配置されている。また、筐体本体７には、外部からの高周波信号を入出力するための同軸コネクターによる入出力端子２，３が配設されており、入出力端子２，３の中心導体には入出力結合プローブ１１，１２が接続されている。
【０００８】
さらに、筐体蓋８には、各誘電体共振器６ａ〜６ｃの共振周波数を調整するための，導体板１３ａ〜１３ｃ及びボルト１４ａ〜１４ｃが一体となった共振周波数調整部材５ａ〜５ｃが取り付けられている。この共振周波数調整部材５ａ〜５ｃは、各々の中心軸が誘電体共振器６ａ〜６ｃの中心軸と同じ平面位置にあるように（つまり同心位置に）配設されている。
【０００９】
一般に、誘電体共振器フィルタでは、通過帯域幅、減衰特性などの周波数特性は各共振器の共振周波数，品質係数Ｑ値，各誘電体共振器間の結合量等により決まるため、設計の際には、フィルタの周波数特性の仕様から各誘電体共振器の形状等が算出される。
【００１０】
しかし、現実には、誘電体共振器や筐体の形状誤差や取り付け誤差のために設計通りのフィルタ特性が得られない。そこで、上記従来の誘電体共振器フィルタには、共振周波数調整部材５ａ〜５ｃが設けられて、各誘電体共振器６ａ〜６ｃの共振周波数が可変となっている。
【００１１】
また、段間結合調整ボルト４ａ、４ｂが設けられて段間結合強度が可変になっている。これらの調整により、所望のフィルタ特性の実現が図られている。
【００１２】
また、共振周波数調整部材５ａ〜５ｃの構造としては、図８に示すごとく、誘電体共振器６ａ〜６ｃに対向する導体板１３ａ〜１３ｃと、導体板１３ａ〜１３ｃと誘電体共振器６ａ〜６ｃとの間の距離をボルト１４ａ〜１４ｃによって調整することにより、誘電体共振器６ａ〜６ｃの周波数特性を可変にする構造が多く採用されている（例えば特許文献１参照）。
【００１３】
このような構造を有する誘電体共振器フィルタは、以下のように動作する。
【００１４】
例えば信号源やアンテナから伝送されてきた高周波信号が入出力端子２から筐体１内に入力されると、高周波信号がフィルタの通過帯域内の周波数の信号の場合、入出力結合プローブ１１の作用により、入力段の誘電体共振器６ａの電磁界モードと結合し、基本共振モードであるＴＥ０１δが励起される。
【００１５】
この共振モードは段間結合調整窓１０ａ，１０ｂを通じて次段の誘電体共振器６ｂ，６ｃへと次々と結合してゆき、誘電体共振器６ｃに励起された電磁界モードは出力側の入出力プローブ１２と結合し、高周波信号が入出力端子３から出力される。
【００１６】
一方、フィルタの通過帯域外の高周波信号は誘電体共振器の共振モードと結合することはできずに反射され、入出力端子２から送り返される。
【００１７】
【特許文献１】
特開２００２−５０９０２号公報（段落番号［００３７］、第１図）
【００１８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前記従来の誘電体共振器フィルタにおいては、以下のような課題があった。
【００１９】
図９は、図８に示す誘電体共振器フィルタの周波数に対する基本特性を示す図である。同図において、横軸は周波数（ＧＨｚ）を表し、縦軸は通過特性（Ｓ２１）（ｄＢ）を表している。ここで、フィルタの通過帯域の中心周波数は２３２０ＭＨｚ、通過帯域は２３１５ＭＨｚから２３２５ＭＨｚであり、通過帯域での挿入損失は０．５８ｄＢである。
【００２０】
前記基本特性を有する誘電体共振器フィルタの通過帯域よりも高域側の特性を図１０に示す。同図において、横軸は周波数（ＧＨｚ）を表し、縦軸は通過特性（Ｓ２１）（ｄＢ）を表している。通過帯域の中心周波数から４５０ＭＨｚ離れた２７７０ＭＨｚ付近の周波数域で不要モードが出現している。
【００２１】
この不要モードの出現位置は、通過帯域の中心周波数から４５０ＭＨｚ離れたところに出現している。実際のフィルタ調整を行う際には、この不要モードを与えられた仕様を満たすように調整しなければならないので、フィルタ調整の大きな障害となる。
【００２２】
また、前記従来の誘電体共振器フィルタにおいては、誘電体共振器の基本共振モードと異なる高次モード同士の結合により、フィルタの通過帯域よりも周波数が高い帯域に不要な高調波成分が発生するという問題がある。本来、通過帯域よりも周波数の高い成分はローパスフィルタによって除去されるのであるが、ローパスフィルタによって除去しうる信号のレベルには上限がある。さらに、ローパスフィルタのカットオフ周波数近辺では、不要な信号を大きく除去できない。したがって、携帯電話の基地局用フィルタ等では、通過帯域の仕様以外にも、この高調波成分に関して厳しく仕様が定められており、高調波成分のレベルを抑制しなければならない。
【００２３】
このため、フィルタ調整時には多大な調整時間と労力が必要である。例えば、導体棒を任意の位置でフィルタ内に挿入し、誘電体共振器の不要モードを抑制する手法が行われている。そして最悪の場合、フィルタ調整作業が終了しても、高調波成分のスペックを満たすことができない可能性も出てくる。
【００２４】
前記従来の誘電体共振器フィルタでは、段間結合調整時に段間結合調整ボルトを挿入することによって、高域側の不要モードが通過帯域に接近してくる。図１１（ａ）、（ｂ）は段間結合調整ボルトを（ａ）０ｍｍ、（ｂ）１５ｍｍと挿入した際の誘電体共振器フィルタの高調波特性を電磁界シミュレーションにより求めたものを示す。同図において、横軸は周波数（ＧＨｚ）を表し、縦軸は通過特性（Ｓ２１）（ｄＢ）を表している。段間結合調整ボルトを挿入することで、通過帯域よりも高域側の不要モード成分が図１１の（ａ）から（ｂ）へと挿入長を大きくすることで、通過帯域である２．３ＧＨｚ帯に近づいていることがわかる。
【００２５】
前記の課題を解決するために本発明では、不要モードを発生する原因を段間結合調整機構の不足と考え、段間結合調整機構に着目した。段間結合調整によって発生した不要モードを低減し、なおかつフィルタの調整作業を簡略化することが可能な誘電体共振器フィルタを得ることを目的としている。
【００２６】
【課題を解決するための手段】
本発明は、誘電体共振器フィルタの段間結合調整ボルトを誘電体と誘電体との間で、前記誘電体共振器フィルタの高さ方向における位置を変更することにより各誘電体共振器の段間結合を変化させる段間結合調整機構を具備することで、誘電体共振器フィルタの不要モードを抑制する形態をとったものである。
【００２７】
特に基本伝搬モードであるＴＥ０１δモードの電磁界結合強度を最大に取ることができる位置から、誘電体と段間結合調整ボルト間の距離を変えずに、誘電体共振器フィルタの高さ方向において段間結合調整ボルトの位置を変えることで高次の伝搬モードの結合の抑制し、誘電体共振器フィルタの不要モードを抑制する形態をとったものである。
【００２８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を具体的に説明する。もちろんこの発明は以下の例によって制限されるものではない。また、説明に使用する図面内の寸法、寸法比率及び位置関係は必ずしも正確ではない。
【００２９】
（実施例）
以下、本発明の実施例を図１により説明する。
【００３０】
図１は本発明の実施形態における誘電体共振器フィルタの構造を概略的に示す図である。図１に示すように、誘電体共振器フィルタの筐体１６には外部からの高周波信号を入出力するための同軸コネクター入出力端子１７、１８、共振器間の電磁界結合の結合強度を調整するための段間結合調整ボルト１９ａ、１９ｂ、各誘電体共振器の共振周波数を調整するための共振周波数調整部材２０ａ〜２０ｃが取り付けられている。
【００３１】
図２（ａ）は図１の一点破線で示すＣ面，図２（ｂ）は図１の一点破線で示すＤ面でそれぞれ切断した誘電体共振器フィルタの断面図である。図２に示すように、本実施形態の誘電体共振器フィルタは、誘電体粉末を焼結することにより成形された３個の円柱状の誘電体共振器２１ａ〜２１ｃを備えている。各誘電体共振器２１ａ〜２１ｃの共振周波数は、円柱形状の高さ及び直径により決定される。
【００３２】
この例では、３個の誘電体共振器２１ａ〜２１ｃが３段の帯域通過フィルタとして動作する。誘電体共振器フィルタの筐体１６は、底壁と側壁とによって構成される筐体本体２２と、筐体蓋２３と、筐体本体２２によって囲まれる空間を小部屋に仕切る互いに連結された隔壁２４ａ、２４ｂとによって構成されている。そして、各誘電体共振器２１ａ〜２１ｃは、筐体本体２２の隔壁２４ａ、２４ｂによって仕切られた各小部屋に１つずつ配設されている。また、２つの隔壁２４ａ、２４ｂと筐体本体２２の側壁との間には、各共振器間の電磁界結合をとるための段間結合調整窓２５ａ、２５ｂが設けられている。
【００３３】
各段間結合調整窓２５ａ、２５ｂには、共振器間の電磁界結合の結合強度を調整するための段間結合調整ボルト１９ａ、１９ｂが配設されている。この段間結合調整ボルト１９ａ、１９ｂは筐体本体２２の高さの１／２から７ｍｍ下げた位置に配置されている。また、筐体本体２２には、外部からの高周波信号を入出力するための同軸コネクターによる入出力端子１７，１８が配設されており、入出力端子１７，１８の中心導体には入出力結合プローブ２６，２７が接続されている。
【００３４】
さらに、筐体蓋２３には、各誘電体共振器２１ａ〜２１ｃの共振周波数を調整するための，導体板及びボルトが一体となった共振周波数調整部材２０ａ〜２０ｃが取り付けられている。この共振周波数調整部材２０ａ〜２０ｃは、各々の中心軸が誘電体共振器２１ａ〜２１ｃの中心軸と同じ平面位置にあるように（つまり同心位置に）配設されている。
【００３５】
一般に、誘電体共振器フィルタでは、通過帯域幅、減衰特性などの周波数特性は各共振器の共振周波数，Ｑ値，各誘電体共振器間の結合量等により決まるため、設計の際には、フィルタの周波数特性の仕様から各誘電体共振器の形状等が算出される。
【００３６】
しかし、現実には、誘電体共振器や筐体の形状誤差や取り付け誤差のために設計通りのフィルタ特性が得られない。そこで、前記誘電体共振器フィルタには、共振周波数調整部材２０ａ〜２０ｃが設けられて、各誘電体共振器２１ａ〜２１ｃの共振周波数が可変となっている。
【００３７】
また、段間結合調整ボルト１９ａ、１９ｂが設けられて段間結合強度が可変になっている。これらの調整により、所望のフィルタ特性の実現が図られている。
【００３８】
また、共振周波数調整部材２０ａ〜２０ｃの構造としては、図２に示すごとく、誘電体共振器２１ａ〜２１ｃに対向する導体板と、導体板と誘電体共振器２１ａ〜２１ｃとの間の距離をボルトによって調整することにより、誘電体共振器２１ａ〜２１ｃの周波数特性を可変にする構造が多く採用されている。
【００３９】
このような構造を有する誘電体共振器フィルタは、以下のように動作する。
【００４０】
例えば信号源やアンテナから伝送されてきた高周波信号が入出力端子１７から筐体１６内に入力されると、高周波信号がフィルタの通過帯域内の周波数の信号の場合、入出力結合プローブ２６の作用により、入力段の誘電体共振器２１ａの電磁界モードと結合し、基本共振モードであるＴＥ０１δが励起される。
【００４１】
この共振モードは段間結合調整窓２５ａ，２５ｂを通じて次段の誘電体共振器２１ｂ，２１ｃへと次々と結合してゆき、誘電体共振器２１ｃに励起された電磁界モードは出力側の入出力プローブ２７と結合し、高周波信号が入出力端子１８から出力される。
【００４２】
一方、フィルタの通過帯域外の高周波信号は誘電体共振器の共振モードと結合することはできずに反射され、入出力端子２６から送り返される。
【００４３】
本発明で実施したことは図１に示すように、誘電体共振器フィルタに取り付けられている段間結合調整ボルトの位置を、筐体本体の高さの１／２の位置から７ｍｍ下げたことである。
【００４４】
図３に前記実施形態における上記誘電体共振器フィルタの通過帯域よりも高域の周波数特性を電磁界シミュレーションにより求めたものを示す。同図（ａ）において、横軸は周波数（ＧＨｚ）を表し、縦軸は通過特性（Ｓ２１）（ｄＢ）を表し、段間結合調整ボルトは筐体の内面から１５ｍｍ挿入している。ここで、筐体の寸法は長さ１３０ｍｍ、幅４２ｍｍ、高さ３７ｍｍである。比較のために同図（ｂ）に、段間結合調整ボルトを筐体本体の高さの１／２の位置とした誘電体共振器フィルタの通過特性を示してある。図３からわかるように段間結合調整ボルトの位置を下に下げるだけで、不要モードが抑制されていることがわかる。
【００４５】
これは図４のように基本伝搬モードであるＴＥ０１δモードの電磁界結合の強度は、段間結合調整ボルトの高さを変化させても電磁界結合強度は保たれるが、高次の伝搬モードは段間結合調整ボルトの高さ位置が変わることで影響が抑制されるためである。
【００４６】
ここで、本実施形態の特徴として、フィルタ調整時の段間結合の強度は段間結合調整ボルトの位置によらないことである。ここでは段間結合調整ボルトの材質として、Ｍ２．６の真鍮ボルトを使用している。
【００４７】
前記実施形態における上記誘電体共振器フィルタの通過特性を図５に示す。同図において、横軸は周波数（ＧＨｚ）を表し、縦軸は通過特性（Ｓ２１）（ｄＢ）を表している。ここで、フィルタの通過帯域の中心周波数は２３２０ＭＨｚ、通過帯域は２３１５ＭＨｚから２３２５ＭＨｚであり、通過帯域での挿入損失は０．５６ｄＢである。
【００４８】
前記基本特性を有する誘電体共振器フィルタの通過帯域よりも高域側の特性を図６に示す。同図において、横軸は周波数（ＧＨｚ）を表し、縦軸は通過特性（Ｓ２１）（ｄＢ）を表している。通過帯域の中心周波数から５００ＭＨｚ離れた２８２０ＭＨｚ付近の周波数域で不要モードが出現し、通過帯域よりも不要モードを離すことができる。
【００４９】
なお、本実施例でのフィルタは２．３ＧＨｚ帯で設計されたものであるが、誘電体共振器、筐体当の寸法、配置などを適切に設計することにより他の周波数帯に適用可能であることは言うまでもない。
【００５０】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、誘電体共振器フィルタに付設される段間結合調整機構の位置を変えることで、通過帯域よりも高域側の不要モードを抑制することができ、調整作業が簡略化できる誘電体共振器フィルタの提供を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態における誘電体共振器フィルタの構造を概略的に示す外観図
【図２】（ａ）同実施形態における誘電体共振器フィルタの断面図（Ｃ面断面）
（ｂ）同実施形態における誘電体共振器フィルタの断面図（Ｄ面断面）
【図３】同実施形態における誘電体共振器フィルタの電磁界シミュレータによる周波数特性を示す図
【図４】誘電体共振器のＴＥ０１δモードの電磁界モードを示す概略図
【図５】同実施形態における誘電体共振器フィルタの周波数基本特性を示す図
【図６】同実施形態における誘電体共振器フィルタの通過帯域よりも高域での周波数特性を示す図
【図７】従来の誘電体共振器フィルタを概略的に示す外観図
【図８】（ａ）同実施形態における誘電体共振器フィルタの断面図（Ａ面断面）
（ｂ）同実施形態における誘電体共振器フィルタの断面図（Ｂ面断面）
【図９】従来の誘電体共振器フィルタの周波数基本特性を示す図
【図１０】従来の誘電体共振器フィルタの通過帯域よりも高域での周波数特性を示す図
【図１１】従来の誘電体共振器フィルタの電磁界シミュレータによる周波数特性を示す図
【符号の説明】
１　筐体
２　同軸コネクター入出力端子
３　同軸コネクター入出力端子
４　段間結合調整ボルト
５　共振周波数調整部材
６　誘電体共振器
７　筐体
８　筐体本体
９　筐体蓋
１０　段間の隔壁
１１　段間結合調整窓
１２　段間結合調整ボルト
１３　同軸コネクターによる入出力端子
１４　同軸コネクターによる入出力端子
１５　入出力結合プローブ
１６　入出力結合プローブ
１７　共振周波数調整部材
１８　筐体
１９　同軸コネクター入出力端子
２０　同軸コネクター入出力端子
２１　段間結合調整ボルト
２２　共振周波数調整部材
２３　誘電体共振器
２４　筐体
２５　筐体本体
２６　筐体蓋
２７　段間の隔壁
２８　段間結合調整窓
２９　段間結合調整ボルト
３０　同軸コネクターによる入出力端子
３１　同軸コネクターによる入出力端子
３２　入出力結合プローブ
３３　入出力結合プローブ
３４　共振周波数調整部材

Claims (3)

1. 複数の誘電体共振器と、前記誘電体共振器の周囲を覆い、電磁界シールドとして機能する筐体とを備える誘電体共振器フィルタであって、前記筐体に囲まれる空間内に配置され、前記誘電体共振器フィルタの高さ方向における位置を変更することにより各誘電体共振器の段間結合を変化させる段間結合調整機構を具備した誘電体共振器フィルタ。
2. 誘電体共振器フィルタにおいて、段間結合調整機構は各誘電体共振器の間に位置し，導体棒であることを特徴とする請求項１記載の誘電体共振器フィルタ。
3. 段間結合調整機構は各誘電体共振器の間に位置し，誘電体共振器フィルタの高さ方向における位置を、基本モードであるＴＥ０１δモード以外の高次の電磁界モードの結合が小さい位置とすることを特徴とする請求項１又は２記載の誘電体共振器フィルタ。

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