JP2004221850A

JP2004221850A - 低熱膨張材料を用いた非放射性誘電体線路および応用素子

Info

Publication number: JP2004221850A
Application number: JP2003005693A
Authority: JP
Inventors: Tomoko Suzuki; 友子鈴木; Atsushi Omote; 篤志表; Masaaki Suzuki; 正明鈴木
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2003-01-14
Filing date: 2003-01-14
Publication date: 2004-08-05

Abstract

【課題】動作特性が温度変化に影響されず安定したＮＲＤガイドおよびその応用素子を供給することを目的とする。
【解決手段】ＮＲＤガイドの誘電体１１に低熱膨張材料を用い、熱変動による寸法の変化を最小限に抑え防ぐ方法を用いることにより、カットオフ周波数などの特性値が変化せず、モードの安定したＮＲＤガイドおよびその応用素子を供給することが可能となる。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、平行平体間に誘電体線路を設けた非放射性誘電体線路（以降これをＮＲＤガイドと呼ぶ）に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
ＮＲＤガイドおよびその応用素子は、導電体の平行平板の間隔を半波長以下にしたとき、平行平板間に誘電体線路を挿入すると、電磁波は平板の壁面に平行な電磁波は遮断され、誘電体線路に沿って電磁波が伝播する性質を利用している（例えば、非特許文献１参照。）。
【０００３】
誘電体線路には、従来、加工がしやすいテフロン（Ｒ）やポリスチレンなどの高分子からなる誘電体を用いていた。応用展開としては、損失の減少のために、ＮＲＤガイドの誘電体部に別の誘電体を設ける工夫をしているものもある（例えば、特許文献１参照。）。
【０００４】
【特許文献１】
特開平１０−１６３７１２号公報
【非特許文献１】
Ｔ．ＹｏｎｅｙａｍａａｎｄＳ．Ｎｉｓｈｉｄａ，”ＮｏｎｒａｄｉａｔｉｖｅＤｉｅｌｅｃｔｒｉｃＷａｖｅｇａｉｄｅｆｏｒＭｉｌｌｉｍｅｔｅｒＷａｖｅＩｎｔｅｇｒａｔｅｄＣｉｒｃｕｉｔｓ”，ＩＥＥＥＴｒａｎｓ．ＭｉｃｒｏｗａｖｅＴｈｅｏｒｙＴｅｃｈ．，１９８１−１，ＭＴＴ−２９，１１，ｐ．１１８８−１１９２
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
従来のＮＲＤガイドおよびその応用素子では導電体の間に、テフロン（Ｒ）やポリスチレンなどの高分子からなる誘電体を用いていたが、これらの誘電体は熱膨張係数が大きく、熱変動により、カットオフ周波数などの特性値が変化してしまい、特に、寸法精度を要求される誘電率の高い材料を用いたＮＲＤガイド素子では動作の安定性に課題があった。
【０００６】
本発明は、低熱膨張材料を誘電体として用いることで、温度による寸法変化を最小限に抑え、カットオフ周波数などの特性値が変化せず、モードの安定したＮＲＤガイドおよびその応用素子を供給することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
この課題を解決するために本発明は、ＮＲＤガイドの誘電体に低熱膨張材料を用い、熱変動による寸法の変化を最小限に抑え防ぐ方法を用いたものである。
【０００８】
これにより、カットオフ周波数などの特性値が変化せず、モードの安定したＮＲＤガイドおよびその応用素子を供給することが可能となる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
本発明の第１の発明は、誘電体を低熱膨張係数材料としたことを特徴とするＮＲＤガイドであり、動作特性が温度変化に影響されず安定するという作用を有する。
【００１０】
本発明の第２の発明は、誘電体が低熱膨張セラミックであることを特徴とするＮＲＤガイドであり、動作特性が温度変化に影響されず安定するという作用を有する。
【００１１】
本発明の第３の発明は、低熱膨張セラミックが、負の熱膨張係数をもつ物質ＡＭ_２Ｏ_８、正の熱膨張係数をもつ物質ＲＭＯ_４、あるいは（Ａ_ＸＲ_Ｙ）（ＭＯ_４）_３（２Ｘ＋Ｙ＝３、Ｘ＝０〜１．５）の構造をもつ物質のいずれかの組み合わせであり、ＡはＺｒ，Ｈｆまたはこれらの混合系で示される４価の金属元素、ＲはＭｇ，Ｃａ，Ｓｒ，Ｂａ，Ｒａまたはこれらの混合系で示される２価の金属元素、ＭはＷ，Ｍｏから選択される６価の金属元素で定義される物質であることを特徴とする材料であり、動作特性が温度変化に影響されず安定するという作用を有する。
【００１２】
本発明の第４の発明は、低熱膨張セラミックが、負の熱膨張係数をもつ物質ＨｆＷ_２Ｏ_８、正の熱膨張係数をもつ物質ＭｇＷＯ_４、あるいは（Ｈｆ_ＸＭｇ_Ｙ）（ＷＯ_４）_３（２Ｘ＋Ｙ＝３、Ｘ＝０〜１．５）の構造をもつ物質のいずれかの組み合わせでありからなる物質であることを特徴とする材料であり、動作特性が温度変化に影響されず安定するという作用を有する。
【００１３】
本発明の第５の発明は、モードサプレッサ、サーキュレータ、方向性結合器、多分岐素子、モード変換器などの受動回路素子において、ＮＲＤガイド部分の誘電体を、温度安定性のよい低熱膨張材料とすることにより、動作特性が温度変化に影響されず安定するという作用を有する。
【００１４】
本発明の第６の発明は、発振器、変調器、復調器、増幅器などの能動回路素子において、ＮＲＤガイド部分の誘電体を、温度安定性のよい低熱膨張材料とすることにより、動作特性が温度変化に影響されず安定するという作用を有する。
【００１５】
本発明の第７の発明は、アンテナにおいて、ＮＲＤガイド部分の誘電体を、温度安定性のよい低熱膨張材料とすることにより、動作特性が温度変化に影響されず安定するという作用を有する。
【００１６】
本発明の第８の発明は、高周波回路において、ＮＲＤガイド部分の誘電体を、温度安定性のよい低熱膨張材料とすることにより、動作特性が温度変化に影響されず安定するという作用を有する。
【００１７】
本発明の第９の発明は、高周波回路を用いた無線装置において、ＮＲＤガイド部分の誘電体を、温度安定性のよい低熱膨張材料とすることにより、動作特性が温度変化に影響されず安定するという作用を有する。
【００１８】
以下、本発明の実施の形態を具体的に説明するが、本発明は、以下の実施の形態に限定されるものではない。
【００１９】
（実施の形態１）
誘電体として低熱膨張材料のなかで低熱膨張セラミックを用いて、ＮＲＤガイドを作製する例として、セラミック材料にＭｇ、Ｗ、Ｈｆの酸化物からなる材料（以降、Ｌと呼ぶ）を選択した場合の実施の形態について詳しく説明する。
【００２０】
まず、Ｌの作製方法について説明する。
【００２１】
負の熱膨張材料ＨｆＷ_２Ｏ_８は、出発原料として、ＨｆＯ_２（関東科学製、純度９９．５％）とＷＯ_３（高純度化学製、純度４Ｑ）を使用し、ＨｆＯ_２とＷＯ_３をモル比１：２になるように、秤量、ボールミルによる混合粉砕を行った。こうして得られた原料紛を１１５０℃で仮焼し、ＨｆＷ_２Ｏ_８を作製した。同様にして正の熱膨張材料としてＭｇＷＯ_４をＭｇＯとＷＯ_３を１：２で秤量し、ボールミルによる混合粉砕を行った。この後、原料紛を１０００℃で仮焼し、ＭｇＷＯ_４を作製した。それぞれの仮焼成粉はＸ線回折により、十分に反応が進んでいることを確認した。
【００２２】
ＨｆＷ_２Ｏ_８とＭｇＷＯ_４の仮焼成粉を重量比が１：１になるように秤量し、ボールミルで十分に混合粉砕した。これをジブチルフタル酸、ポリビニルブチラル、酢酸ブチル、ブチルセルソルブの混合溶液に混錬して、ドクターブレード法でグリーンシートを作製した。
【００２３】
これを１１５０℃の本焼成での収縮率が９０％であることを考慮し、所望の厚さになるまでグリーンシートを重ね合わせてプレス機を用い６０ｋｇ重で加重した。幅は所望の形状になるようにカッターで切り抜き、さらに、本焼成はそりをなるべく防ぐため、Ａｌ_２Ｏ_３の板をのせた。なお、Ａｌ_２Ｏ_３とは反応性があるためＰｔシートをはさんだ。
【００２４】
他のＬの作製方法として、ＭｇＯ、ＨｆＯ２、ＷＯ３を、モル比で１：１：３となるようにそれぞれ、原材料を秤量し、通常の方法でボールミル、乾燥、粗粉砕をおこない、原料紛を９００℃で４時間仮焼作製した。これをジブチルフタル酸、ポリビニルブチラル、酢酸ブチル、ブチルセルソルブの混合溶液に混錬して、ドクターブレード法でグリーンシートを作製した。
【００２５】
これを１１２０℃の本焼成での収縮率が９０％であることを考慮し、所望の厚さになるまでグリーンシートを重ね合わせてプレス機を用い６０ｋｇ重で加重した。幅は所望の形状になるようにカッターで切り抜き、さらに、本焼成はそりをなるべく防ぐため、Ａｌ_２Ｏ_３の板をのせた。なお、Ａｌ_２Ｏ_３とは反応性があるためＰｔシートをはさんだ。
【００２６】
なお、このようにして作製したＬの熱膨張係数を、熱膨張計で測定した結果はどちらの製造方法でも−０．５ｐｐｍ／℃であった。
【００２７】
図１はＮＲＤガイドの基本構成を示す斜視図である。図１において、１１は誘電体、１２は導体板である。誘電体層の高さＡ、幅Ｂは、基本モードのＬＳＭ_０１モードが伝送されるためには、以下の（数１）式で表される定数が以下の（数２）式を満たすようにすればよい。
【００２８】
【数１】

【００２９】
【数２】

【００３０】
（数２）式よりＮＲＤガイドの固有値が求められる。位相定数βは以下の（数３）式となる。
【００３１】
【数３】

【００３２】
（数１）から（数３）式により、ＬＳＭ_０１モードを計算し、高次のモードやＬＳＥモードと重ならない値に誘電体層の高さＡ、幅Ｂを設計すれば、単一モードでの損失の少ないＮＲＤガイドが得られる。
【００３３】
６０ＧＨｚ帯でのＮＲＤガイドは、誘電体にセラミックのＬを用いると、最適モードを得る寸法は、高さＡが１．５ｍｍ、幅Ｂが１．５ｍｍと計算される。ここで、熱膨張係数の大きい材料を用いると、モードが安定しないが、低熱膨張材料では安定している。特に、零熱膨張材料Ｌは非常に安定したモードが得られる。
【００３４】
（実施の形態２）
次に、上記ＮＲＤガイドを用いてフィルタを作製したときの特性値についての結果を示す。図２はＬを用いて作製した帯域フィルタの基本構成を示す斜視図であり、２１は導体板、２２は誘電体共振器、２３は誘電体ストリップである。図３はその帯域フィルタのカットオフ周波数の温度特性図を示す。フィルタは、６０〜６０．５ＧＨｚの透過帯域を持つように設計したものであり、カットオフ周波数の温度変化を図３にプロットした。温度変化に対し遮断周波数が変化していないことがわかる。
【００３５】
セラミックによるＮＲＤガイドを用いた受動素子、能動素子、アンテナ、高周波回路、高周波回路を用いた無線装置を、同様に上記のＮＲＤガイドを組合せて設計した。これらの特性値も温度変化による特性値の変化はなかった。
【００３６】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、温度安定性に優れたＮＲＤガイドおよびその応用素子を作製できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態によるＮＲＤガイドの基本構成を示す斜視図
【図２】本発明の一実施の形態による帯域フィルタの基本構成を示す斜視図
【図３】本発明の一実施の形態による帯域フィルタのカットオフ周波数の温度特性図
【符号の説明】
１１誘電体
１２導体板
２１導体板
２２誘電体共振器
２３誘電体ストリップ

Claims

導体平行平体間に誘電体線路を設けた非放射性誘電体線路において、誘電体を低熱膨張係数材料としたことを特徴とする、非放射性誘電体線路。
誘電体はセラミックであることを特徴とする請求項１記載の非放射性誘電体線路。
セラミックは、負の熱膨張係数をもつ物質ＡＭ_２Ｏ_８、正の熱膨張係数をもつ物質ＲＭＯ_４、あるいは（Ａ_ＸＲ_Ｙ）（ＭＯ_４）_３（２Ｘ＋Ｙ＝３、Ｘ＝０〜１．５）の構造をもつ物質のいずれかの組み合わせであり、ＡはＺｒ，Ｈｆまたはこれらの混合系で示される４価の金属元素、ＲはＭｇ，Ｃａ，Ｓｒ，Ｂａ，Ｒａまたはこれらの混合系で示される２価の金属元素、ＭはＷ，Ｍｏから選択される６価の金属元素で定義される物質である低熱膨張材料を用いたことを特徴とする請求項２記載の非放射性誘電体線路。
ＡはＨｆ、ＲはＭｇ、ＭはＷである低熱膨張材料を用いたことを特徴とする請求項３記載の非放射性誘電体線路。
請求項１から請求項４のいずれかに記載の非放射性誘電体線路を用いた受動回路素子。
請求項１から請求項４のいずれかに記載の非放射性誘電体線路を用いた能動回路素子。
請求項１から請求項４のいずれかに記載の非放射性誘電体線路を用いたアンテナ素子。
請求項５から請求項７のいずれかに記載の非放射性誘電体線路を用いた素子を少なくともひとつ含む高周波回路。
請求項８記載の高周波回路を用いたことを特徴とする無線装置。