JP2006279957A - マイクロ波帯域通過フィルタ - Google Patents

Abstract

【課題】余分なコンポーネント用のスペースを必要とせずにスプリアスまたは高次の通過帯域の十分な抑制を可能にする少なくとも１つの同軸共振器を含む複数の共振器を備えたマイクロ波フィルタを提供する。
【解決手段】少なくとも１つの同軸共振器１を含む複数の組み合わされた共振器を備えたマイクロ波帯域通過フィルタに関し、高次またはスプリアス通過帯域を抑えるために、フィルタは、中央の穴９が少なくとも１つの同軸共振器の内部導電体６の上端から、内部導電体の長さの少なくとも一部を通って延在し、中央の穴が導波管部分を形成し、その遮断周波数は帯域通過フィルタの通過帯域より上であること、導波管部分は、導波管部分の遮断周波数が帯域通過フィルタの第１の高次の応答より下であるように、その導波管の上部１１に十分に高い誘電体定数を持つ低損失誘電体材料を含むことを特徴とする。
【選択図】図２

Description

本発明は少なくとも１つの同軸共振器を含む複数の組み合わされた共振器を備えたマイクロ波帯域通過フィルタに関する。

電磁気スペクトルのマイクロ波領域は、種々の分野の技術に広範に使用されているのが分かる。典型的な用途は、ナビゲーションおよびレーダー技術だけでなく、移動体通信および衛星通信システムなどのワイヤレス通信システムを含む。増加するマイクロ波の用途は、１システム内または異なるシステム間で発生する干渉の可能性を増加させる。したがって、マイクロ波領域は複数の明確な周波数帯に分割されている。特定の装置は、この装置に割り当てられた周波数帯域内でのみ通信することを確実にするために、マイクロ波フィルタが使用されて、送信および／または受信中の、帯域通過および帯域阻止機能を実行する。したがって送受信信号の品質がフィルタの特性に大きく支配されるように、フィルタが使用されて、異なる周波数帯域を分離し、必要な周波数信号と不要な周波数信号とを識別する。一般的に、フィルタは狭い帯域幅および高いフィルタ品質を提供せねばならない。

例えば、広範に使用されているＧＳＭシステムなどの携帯電話の技術に基づく通信ネットワークでは、サービスエリアは複数の明確なセルに分割されている。各セルは、そのセル内に位置する複数の移動体装置と同時に通信せねばならない送受信機を備える基地局に割り当てられる。この通信は、干渉を最小にして扱われねばならない。したがって、セルに関連する通信信号に利用される周波数帯域は、マイクロ波フィルタを使用することにより、複数の明確な周波数帯域に分割される。通常はセルの大きさが小さいため、また、一度に多くの移動体装置が１つのセルの中に位置する可能性があるため、特定の帯域の帯域幅は可能な限り狭く選択される。さらに、フィルタは、効率性要求を満たすためと、システムの感度を維持するために、通過帯域の外側では高い減衰を持たねばならず、通過帯域挿入損失が低くなければならない。したがって、そのような通信システムは、基地局および移動体装置の両方に極端に高い周波数選択性を必要とし、その選択性はしばしば理論上の限界に近づく。

一般的にマイクロ波フィルタは、種々の較正で共に組み合わせられる複数の共振部分を含む。各共振部分は、明確な共振器を構成し、通常は、閉じられたまたは実質的に閉じられた導電体表面の中に含まれる空間を備える。適切な外部の励磁に際して、この空間内に周期的に振動する電磁場が維持できる。共振部分は、際だった共振効果を示し、共振周波数および帯域幅の各々により特徴付けられる。フィルタが所望のフィルタ特性をもたらすために、フィルタを形成するために共に組み合わされた明確な共振器が、所定の共振周波数と、帯域幅または通過帯域とを持つことは必須である。通過帯域は、通常、中央共振周波数に比較して３ｄＢの減衰のある周波数の間の周波数帯域として定められる。

帯域通過フィルタの一般的問題は、たくさんの望ましくない（または「スプリアス」）通過帯域を持つことである。それらは、共振器が、対応する構造の固有モードとも名付けられる高次の共振を持つために発生する。したがって、より高い周波数で、周期的な高次の通過帯域が存在する。多くの用途で、そのようなより高次の通過帯域は受け入れられない。

この問題を克服する１つの解決法は、追加の低域通過フィルタを利用することである。これは、最も一般的に使用された技術であるけれども、増加する挿入損失だけでなく、低域通過フィルタに必要な余分な費用および空間が必要になる。

さらに、帯域通過フィルタのスプリアス応答を分散または減衰させるための技術が存在し、例えば非特許文献１で説明されている。スプリアス応答の分散は、例えば、帯域通過の共振器の各々に関する異なる共振構造を使用することにより実行できる。したがって、高次の固有モードが異なる周波数で発生し、フィルタのスプリアス帯域通過送信が減少する。

もう１つの可能性は、共振器の空洞の外側に、フィルタの通過帯域の上に遮断周波数を持ち、損失材料の吸収材をその端部に配置した導波管を加えることである。そのような技術は、長方形導波管帯域通過に関する非特許文献２の中で説明されている。フィルタの共振器の間に、フィルタの通過帯域の上の遮断周波数を持つより小さい長方形の導波管が設置される。この配置では、より小さな導波管の遮断周波数より高い周波数を持つ電磁場のみが、より小さな導波管を貫通でき、それにより、加えられた導波管の端部の損失材料により減衰する。この配置の欠点は、フィルタの隣接する共振器の間に置かれる、加えられたより小さな導波管用に必要な余分なスペースである。
"Ａ ｃａｐａｃｉｔｉｖｅｌｙ ｃｏｕｐｌｅｄ ｗａｖｅ ｇｕｉｄｅ ｆｉｌｔｅｒ ｗｉｔｈ ｗｉｄｅ ｓｔｏｐ−ｂａｎｄ"、３３ｒｄ Ｅｕｒｏｐｅａｎ Ｍｉｃｒｏｗａｖｅ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ ２００３、Ｍｕｎｉｃｈ、Ｇｅｒｍａｎｙ、ｐａｇｅｓ １２３９−１２４２ "Ｗａｖｅ ｇｕｉｄｅ ｂａｎｄ−ｐａｓｓ ｆｉｌｔｅｒ ｗｉｔｈ ａｔｔｅｎｕａｔｉｏｎ ｏｆ ｈｉｇｈｅｒ ｏｒｄｅｒ ｐａｓｓｂａｎｄｓ"、３２ｒｄ Ｅｕｒｏｐｅａｎ Ｍｉｃｒｏｗａｖｅ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ １９９３、Ｍａｄｒｉｄ、Ｓｐａｉｎ、ｐａｇｅｓ ６０６−６０７ ｂｙ Ｗ．Ｍｅｎｚｅｌ ｅｔ ａｌ．

本発明の目的は、余分なコンポーネント用のスペースを必要とせずにスプリアスまたは高次の通過帯域の十分な抑制を可能にする少なくとも１つの同軸共振器を含む複数の共振器を備えたマイクロ波フィルタを提供することである。

この目的は、請求項１に記載されたマイクロ波フィルタにより達成される。マイクロ波フィルタの好ましい実施の形態は従属請求項に並べられている。

マイクロ波フィルタは、少なくとも１つの同軸共振器を含む複数の組み合わされた共振器を持つ。共振器の空洞の基部に取り付けられ、所定の高さまで延在する内部の円筒状の導電体を、同軸共振器が持ち、導電体の上端と空洞の上面のカバーの内部表面との間の間隔を残す。そのような同軸共振器はくし形共振器とも呼ばれる。本発明にしたがって、少なくとも１つの同軸共振器の内部導電体が、その内部導電体の上端からその高さの少なくとも一部まで延在する中央の穴とともに提供される。この中央の穴は導波管部分を形成し、この導波管部分はフィルタの通過帯域の上の遮断周波数を持つ。このようになるのは、内部導電体の中央の穴の横断寸法または断面寸法が、同軸共振器の空洞の内部直径よりも小さいからである。導波管部分は、下に説明するように、フィルタの第１のより高次な共振より下の遮断周波数を持つようにしている。

中央の穴の下部は、損失材料を含み、損失材料は、炭化ケイ素セラミックスなどの損失性誘電体材料、または磁性体を充填された樹脂基体材料などの損失磁性体であってもよい。

この配置により、フィルタの第１の高次またはスプリアス通過帯域周波数より下である導波管部分の遮断周波数より上の周波数を持つ電磁場は、内部導電体の中央の穴に入り、中央の穴の底部の損失材料により減衰される。他方、通過帯域内の周波数に関して、底部の損失材料は「見ることができない」、なぜなら、これらの電磁場は中央の穴に入ることができないけれども、指数関数的に減衰するからである。それ故、損失材料を備えた中央の穴は、通過帯域内のフィルタの送信性能に影響しない。

くし形共振器は、λ／４より低い高さ、典型的にはλ／８の高さを持ち、λは通過帯域の中央に対応する波長である。共振器の底部の短絡（内部導電体と基部の板との間の電気的接続）は、共振器の頂部のインダクタンスに変化し、共振器の頂部の容量性の間隔を共に備えた共振器は、基本波共振を生成する。平面（ＴＥＭ）波を考えると、第１の高次またはスプリアス通過帯域は、基本波通過帯域周波数の約３から５倍の周波数領域に入る。ＴＥＭ波の他に、共振器の電界成分が入射面に対して横向きの（ＴＥ）波、および磁界成分が入射面に対して横向きの（ＴＭ）波モードを考慮に入れねばならず、ＴＥＭモードとは対照的に、共振器の直径に強く依存する。したがって、スプリアス通過帯域は、意図した通過帯域に近接して存在する。高い周波数でＴＥモードおよびＴＭモードを維持するために、共振器の外部直径は、小さく保たれるべきであり、典型的には基本波通過帯域周波数のλ／２よりかなり小さい。共振器の外部直径の、内部導電体の外部直径に対する比は、約３．６であるべきであって、共振器の高品質要素を保証し、これは、この比で、同軸ラインに対応する減衰定数が最小であるためである。

中央の穴は、第１の高次の通過帯域より下の遮断周波数を持つことができるようになっている必要がある。中央の穴の遮断周波数ν_cutは、波長λ_cut＝２．６１ｒ₀に対応し、ｒ₀は空気の充填された中央の穴の半径である。ν_cutより高い周波数において、第１のモード、すなわちＴＭ₀₁モードは伝播できる。周波数がさらに上がると、他のモードも考慮に入れねばならない。このν_cutは、共振器の空洞として、中央の穴に空気が充填されると、通過帯域内の共振周波数の何倍も高い周波数に一般的に対応する。他方、上に説明したように、第１の高次の通過帯域が通過帯域周波数の既に３倍となっている可能性があるので、中央の穴の遮断周波数を下げる必要がある。これは、中央の穴の上部に、例えばセラミック材料などの、低損失誘電体材料を配置することにより実行でき、この低損失誘電体材料は、既に、フィルタの第１の高次の共振が中央の穴の遮断周波数よりも高いように、中央の穴の遮断周波数が周波数を通過帯域の近くの周波数に下げるように、十分に高い相対誘電体定数をもつ。遮断周波数は、導波管部分の材料の特性に、（ε_rμ_r）^-1/2として依存する（ε_rは相対誘電体定数、μ_rは材料の相対透磁率である）。したがって、約１００であるε_rと、１のオーダーであるμ_rとをもつ材料を使用すると、導波管部分に空気を充填するのに比較して１／１０の因子だけ中央の穴の遮断周波数を下げる。

誘電体材料は、同一の損失因子Ｄまたは損失タンジェントｔａｎδによりさらに特徴付けられる。これは材料のエネルギー損失特性を表す量である。０．１以上のｔａｎδの値を持つ材料は損失材料として特徴付けられる。他方、０．０１未満のｔａｎδの誘電体材料は低損失誘電体材料と考えられる。それらは絶縁体である。これらの材料の誘電体特性は、マイクロ波領域の周波数の変化が、相対的にほとんど無いことを示す。低損失誘電体材料０．００１未満の損失タンジェントを持つことが望ましい。

通過帯域より上の遮断周波数を持つ中央の穴の特性は、遮断周波数が、フィルタの通過帯域の３ｄＢの角の周波数より上であることを意味する通常の方法で、ここで定められる。

本発明の設計により、フィルタのより高次の通過帯域が、余分なスペースや追加のコンポーネントの必要なしに抑えることができる。したがってそのようなフィルタ設計により、とても効率的でコンパクトなマイクロ波フィルタを提供できる。

以下、添付の図を参照して発明の実施の形態を説明する。

図１は、直列に組み合わされた４つの同軸共振器を備えるマイクロ波フィルタを示す。このフィルタは、容量性の入力カップリング２０および容量性の出力カップリング２１を持つ。周波数とカップリングとを調整する波長調整ネジは示されていない。一般的に、一連の共振器より多く存在するけれども、さらに、組み合わされた共振器の２次元配置も存在する。

図２は、本発明にかかる複数の組み合わされた共振器を備えるフィルタに使用される個々の同軸共振器を示す。この同軸共振器１は、中空の円筒状のハウジング２を備える。ハウジング２は、ディスク形状の基部３、基部３から上方向に延在する側壁４、および側壁４の上端に固定されたディスク形状のカバー５により形成される。共振器１は、ハウジング２の内部の中央に位置し、その下端７を基部３に取り付けられた円筒状の内部導電体６をさらに含む。内部導電体６は、円筒状のハウジング２の長さ方向の軸に沿って、基部３から上方向に延在する。その長さは、内部導電体６の上端８と、ハウジング２のカバー５との間に容量性間隔が形成されるように、ハウジング２の高さより低い。

内部導電体２は、中央の穴９と共に提供され、内部導電体２の上端８から内部導電体６の中へ、内部導電体６の長さの一部の長さ延在する。中央の穴９は、例えば、内部導電体６の中にドリルで穴を開けられていてもよい。

中央の穴９の下部１０は、吸収剤として作用する損失材料を含む。そのような損失材料は、例えば、Ｅｃｃｏｓｏｒｂ ＭＦ（商標）で、アメリカ合衆国、マサチューセッツ州、ランドドルフ、Ｅｍｅｒｓｏｎ ＆ Ｃｕｍｉｎｇ Ｍｉｃｒｏｗａｖｅ Ｐｒｏｄｕｃｔｓにより提供される吸収材料として、磁性体装荷のエポキシ樹脂などの損失磁性体であってもよい。例えば、材料Ｅｃｃｏｓｏｒｂ ＭＦ１９０は、３ＧＨｚにおいて、２８の誘電体定数ε_rと、４．５の透磁率μ_rと、０．０４のｔａｎδ_dおよび０．０９のｔａｎδ_mの損失タンジェントとを持つ。代わりに、焼結炭化ケイ素（ＳｉＣ）粉末により形成される炭化ケイ素セラミックスなどの損失性誘電体材料が使用できる。そのような炭化ケイ素セラミックスは、典型的には３０から３５の誘電体定数ε_rおよび゛０．３から０．５の範囲の損失タンジェントｔａｎδ_dを持つ。

損失材料は、中央の穴９の下端部に部分的にまたは完全に充填される。

中央の穴９の上部１１は、低損失誘電体材料（例えば誘電体共振器に使用されるセラミック材料）を好ましくは含む。上に説明したように、フィルタの第１の高次の帯域通過フィルタが、中央の穴９の遮断周波数より上であることを保証する目的で、中央の穴９の遮断周波数を下げるのに十分高い中央の穴９の上部の中の相対誘電体定数ε_rを提供するために、この上部の低損失誘電体材料が必要である。中央の穴９の上部の低損失誘電体材料として適切な材料の例は、以下の表１に挙げられている。

表１：低損失セラミック材料

中央の穴の上部１０の低損失誘電体材料と下部の損失材料との間の遷移は、概略図に示されているように、不連続の遷移であるか、または、好ましくは滑らかな遷移である。滑らかな遷移は、例えば、下部１０の損失性誘電体材料を、中央の穴９の長さ方向の軸に関して傾いた上部表面に与えることにより、および低損失誘電体材料を、損失性誘電体材料の上部表面とは相補的な下部表面に与えることにより達成できる。この滑らかな遷移は、２つの誘電体材料の間の遷移に関する反射を抑えるために好ましい。代わりに、滑らかな遷移は、低損失誘電体材料および損失材料が焼成プロセスで形成され、各材料の粉末が遷移領域で混ざると提供できる。

中央の穴９は円筒状の導波管として機能する。その大きさ（直径）およびその上部１１への低損失誘電体の充填は、遮断周波数がフィルタの通過帯域より上になるけれどもフィルタの第１の高次またはスプリアス通過帯域の下であるように、選択されねばならない。この方法で、中央の穴は通過帯域内の周波数には「見えず」、よって、通過帯域内のフィルタ性能には影響しない。共振器の品質要因を高く維持することを保証するために、上部１１の誘電体材料は可能な限り低損失を示すべきである。

中央の穴の遮断周波数より上の周波数に関して、この中央の穴９は波を伝播することができる。そのような周波数に関して、中央の穴９は、波を伝播できるようになり、中央の穴９の底部は、その損失材料が、そのような周波数を持つ電場にとって見えるようになる。中央の穴９の遮断周波数が、フィルタのスプリアス通過帯域の第１の高次の下になるようになっているので、フィルタの全ての高次またはスプリアスモードは減衰されるか、抑制される。この方法で、フィルタの遮断帯域特性が改善される。

これは図３に示され、フィルタの性能（出力パワーの入力パワーに対する比）が、本発明にかかる高い通過帯域抑制を使用しないフィルタに関して実線で示されている。このフィルタの応答は、第１の通過帯域、およびより高い周波数で、望まない高次またはスプリアス通過帯域を示す。同軸共振器に、本発明にかかる中央の穴を持つ内部導電体を設けることにより、より高次の通過帯域は図３の破線で示されるように減衰する。

４つのポールを持つ帯域通過フィルタを表す概略斜視図 本発明にしたがってフィルタに使用される同軸共振器を表す斜視概略図 スプリアスモードの抑制がある出力パワーと有力パワーとの比と、スプリアスモードの抑制がない出力パワーと有力パワーとの比とに関して、フィルタの応答に依存する周波数を示す図

符号の説明

１ 同軸共振器
２ ハウジング
３ 基部
４ 側壁
５ カバー
６ 内部導電体
７ 下端
８ 上端
９ 中央の穴
１０ 下部
１１ 上部
２０ 容量性の入力カップリング
２１ 容量性の出力カップリング

Claims (8)

1. 少なくとも１つの同軸共振器（１）を含む複数の組み合わされた共振器を備えたマイクロ波帯域通過フィルタであって、
   中央の穴（９）が、上記少なくとも１つの同軸共振器の内部導電体（６）の上端から、上記内部導電体の長さの少なくとも一部を通って延在し、上記中央の穴が導波管部分を形成し、その遮断周波数は上記帯域通過フィルタの通過帯域より上であること、
   上記導波管部分は、上記導波管部分の上記遮断周波数が上記帯域通過フィルタの第１の高次の応答より下であるように、その導波管の上部（１１）に十分に高い誘電体定数を持つ低損失誘電体材料を含むこと、および
   上記中央の穴（９）の上記下端部分（１０）が損失材料を含むこと
   を特徴とする帯域通過フィルタ。
2. 上記中央の穴（９）の下端部（１０）の上記損失材料が損失誘電体材料または損失磁性体であることを特徴とする請求項１に記載の帯域通過フィルタ。
3. 上記低損失誘電体材料が０．００１未満の損失タンジェントｔａｎδを持つことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の帯域通過フィルタ。
4. 上記損失材料が炭化ケイ素セラミックスにより形成された損失誘電体であることを特徴とする請求項２または請求項３に記載の帯域通過フィルタ。
5. 上記中央の穴が、円筒形状を持つことを特徴とする請求項１から請求項４のいずれかに記載の帯域通過フィルタ。
6. 上記中央の穴（９）の中の、上記低損失材料と、上記損失材料との間の遷移が、上記中央の穴の軸方向に漸進的になっていることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれかに記載の帯域通過フィルタ。
7. 上記損失材料が、上記中央の穴の長さ方向の軸に対して斜めに向いている上部表面を持ち、上記低損失導電体材料が相補的な下部表面を持つことを特徴とする請求項６に記載の帯域通過フィルタ。
8. 上記損失材料および上記低損失誘電体材料が、焼成された粉末材料からつくられ、各粉末材料は遷移領域で混ざっていることを特徴とする請求項６に記載の帯域通過フィルタ。

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