JP2007184868A - 誘電体導波管フィルタ - Google Patents

Abstract

【課題】誘電体ブロック内で互いに隣接する共振器間を仕切る短絡導体による同軸共振器モードの影響を回避して導波管モードによる適正なフィルタ特性を得る誘電体導波管フィルタを構成する。
【解決手段】直方体形状の誘電体ブロック１１の外面に導電体膜１０を形成し、誘電体ブロック１１内に短絡導体１２ａ，１２ｂを配置するための結合調整用孔２６ａ，２６ｂを形成し、その内部に空気層１３ａ，１３ｂを介して短絡導体１２ａ，１２ｂを配置する。この空気層１３によって導波管モード（ＴＭ基本モード）の周波数を変化させることなく、スプリアスモードである１／２波長同軸共振器モードの周波数を高域側へシフトさせる。
【選択図】図２

Description

この発明はたとえば移動体通信網の基地局等で用いられる高電力用の高周波フィルタに関するものである。

共振器を誘電体ブロック内に構成した誘電体導波管フィルタは、小型でありながら高い無負荷Ｑが得やすいという特徴が生かされて、比較的高電力用の高周波フィルタとして用いられている。このような誘電体導波管フィルタは例えば特許文献１に開示されている。

図１は特許文献１に示されている誘電体導波管フィルタの平面図である。この誘電体導波管フィルタは、その誘電体基板１の表面に表面導体２、裏面に裏面導体３がそれぞれ形成されていて、表面導体２と裏面導体３とを接続する複数のビアホール４を信号伝送方向に２列形成されている。各々のビアホールの間隔ａは管内波長の１／２以下であり、このフィルタは、ビアホール間隔ｂと誘電体基板１の厚みを導波管断面とする擬似導波管として作用する。この擬似導波管内にはさらにビアホール５のペアが形成されていて、共振長をＬ１，Ｌ２，Ｌ３とする３つの共振器が構成されている。
特開２００２−２６６１１号公報

図１に示した誘電体導波管フィルタにおいては、互いに隣接する共振器の境界部分に配置されるビアホール５の間隔ｃを適切に選ぶことによって、共振周波数以外の信号が反射するとともに共振周波数の信号が通過してフィルタ特性が得られる。

しかしこのように両端短絡のビアホールは１／２波長の同軸共振器モード（ＴＥＭモード）の共振器としても作用するため、その同軸共振器モードの共振周波数が本来の導波管モード（ＴＭ基本モード）を用いたフィルタでは不要モード（スプリアス）となる。そのため、フィルタの通過特性または減衰特性が悪化するという問題があった。

誘電体ブロック内に複数の共振領域を構成するためには図１に示したビアホール５のような短絡導体を設けることは必須であり、上記スプリアスの問題は避けられなかった。

そこで、この発明の目的は、誘電体ブロック内で互いに隣接する共振器間を仕切る短絡導体による同軸共振器モードの影響を回避して導波管モードによる適正なフィルタ特性を得るようにした誘電体導波管フィルタを提供することにある。

上記課題を解決するためにこの発明は次のように構成する。
直方体形状の誘電体ブロックの外面に導電体膜を形成した誘電体導波管フィルタにおいて、前記誘電体ブロック内に、当該誘電体ブロックの互いに対向する２つの外面に形成された導電体膜の所定位置間で導波管モードの電界を短絡する短絡導体を設けて、前記誘電体ブロックに前記短絡導体によって仕切られた領域にそれぞれ共振器を構成するとともに、前記短絡導体の周囲と当該短絡導体を配置するために前記誘電体ブロックに設けた結合調整用孔の内面との間に前記誘電体ブロックの誘電率より低誘電率の誘電体層を設ける。

前記誘電体層は例えば空気層とする。

また前記誘電体層は例えば前記短絡導体を囲む絶縁体とする。

また前記短絡導体は、誘電体ブロックの外面に形成した導電体膜とは別体の例えば金属柱とする。

また、前記短絡導体は誘電体ブロックを仕切る位置に複数配置してもよく、それら複数の短絡導体のそれぞれの周囲に低誘電率の誘電体層を設ける。

また、複数の短絡導体の周囲に連続した低誘電率の誘電体層を設けてもよい。

また、前記短絡導体によって仕切られる位置に誘電体ブロック内への挿入量を可変にした結合調整用導体を設けて、結合量を調整できるようにしてもよい。

この発明によれば、次のような効果を奏する。
誘電体ブロックを仕切る短絡導体の周囲に誘電体ブロックの誘電率より低誘電率の誘電体層を設けたことにより、導波管モード（ＴＭ基本モード）の共振周波数を変えることなく、短絡導体が中心導体として作用する両端短絡１／２波長同軸共振器モード（ＴＥＭモード）の共振周波数が高域側へシフトする。そのため、このスプリアスモードの影響を回避し且つ本来の導波管モードを利用した適正なフィルタ特性（通過特性・減衰特性）が得られる。

前記短絡導体周囲の低誘電率の誘電体を空気層とすれば短絡導体周囲の誘電率が最も効果的に低くなるのでスプリアスモードの周波数を高域側に大きくシフトさせることができスプリアスモードの抑制効果が高まる。

短絡導体の周囲と誘電体ブロックの結合調整用孔内面との間に低誘電率の絶縁体を介在させることによって、誘電体ブロックに対する短絡導体の位置決めが容易となり、絶縁体の誘電率を適宜選択することによってスプリアスモードの周波数を所望の周波数に設定可能となる。

前記短絡導体を金属柱で構成すれば金属棒の切断または金属板の打ち抜きによって所定形状の短絡導体を容易に得ることができ、短絡導体を導電体膜で構成する場合に比べて製造が容易となる。

誘電体ブロックを仕切る位置に複数の短絡導体を配置してそれら複数の短絡導体のそれぞれの周囲に低誘電率の誘電体層を設けることによって、誘電体ブロックに設ける貫通孔の容積（削除量を）を低減でき、誘電体ブロックの機械的強度が確保できる。

複数の短絡導体の周囲に連続して低誘電率の誘電体層を設けることによって、短絡導体周囲の誘電率を効果的に低減でき、スプリアスモードの周波数をより高域にシフトできる。また、短絡導体により仕切られた互いに隣接する２つの共振器間の結合度が、誘電体削除量が多くなることにより小さくなって狭帯域特性が得られる。さらに、連続した低誘電率の誘電体層内で任意の位置に短絡導体を配置できるので、互いに隣接する共振器間の結合度の設定が容易となる。

短絡導体によって仕切られる位置に誘電体ブロック内への挿入量を可変にした結合調整用導体を設けることによって、スプリアスモードを抑圧するとともに互いに、隣接する共振器間の結合度の調整が可能となる。

第１の実施形態に係る誘電体導波管フィルタについて図２〜図５を基に説明する。
図２はこの第１の実施形態に係る誘電体導波管フィルタの組み立て途中の斜視図である。誘電体ブロック１１は直方体形状（六面体形状または角板状）をなし、誘電体セラミックの焼結体で構成している。この誘電体ブロック１１の外面（六面）には導電体膜１０を形成している。この誘電体ブロック１１の厚み方向（図における互いに対向する２つの主面に垂直な方向）に貫通する２つの円筒形状の結合調整用孔２６ａ，２６ｂを形成している。この結合調整用孔２６ａ，２６ｂの内部に円柱形状の金属棒からなる短絡導体１２ａ，１２ｂを配置している。２つの金属シート１４，１５は結合調整用孔２６ａ，２６ｂの上下の開口面を覆うとともに短絡導体１２ａ，１２ｂの端面と誘電体ブロック表面の導電体膜１０とにそれぞれ電気的に導通する。この図２では２つの金属シート１４，１５を取り付ける前の状態を示している。

金属シート１４，１５は誘電体ブロック１１の互いに対向する２つの主面に形成した導電体膜１０から延長された導電体膜として作用し、短絡導体１２ａ，１２ｂの両端が誘電体ブロック１１内で、互いに対向する導電体膜の所定位置間を短絡する。この短絡導体１２ａ，１２ｂによって誘電体ブロック１１が２つの領域に仕切られることになる。それぞれの領域が導波管モードの共振器として作用する。また、短絡導体１２ａ，１２ｂ同士の間隔および誘電体ブロック１１の両側面に設けた導電体膜１０と短絡導体１２ａ，１２ｂとの間には導電体が連続していないので（導電体の開口部が形成されているので）、上記２つの共振器間が結合することになる。

図３の（Ａ）は図２に示した誘電体導波管フィルタの、誘電体ブロック１１の長手方向に沿って且つ短絡導体１２ａを通る面での断面図である。また図３（Ｂ）はその比較例としての断面図である。

このように誘電体ブロック１１に設けた結合調整用孔２６ａの内面と短絡導体１２ａの外周面との間には空気層１３ａを介在させている。図中の矢印は短絡導体１２ａを中心導体とする１／２波長同軸共振器モードの電界の向きを示している。このように短絡導体１２ａと誘電体ブロック１１の外面の導電体膜１０および誘電体ブロック１１によって１／２波長同軸共振器が構成されるが、短絡導体１２ａの外周に空気層１３ａが介在しているので、上記１／２波長同軸共振器モードに対しての実効的な誘電率が低い。そのため、１／２波長同軸共振器モードの共振周波数は高域にシフトすることになる。仮に図３（Ｂ）に示すように、例えば誘電体ブロック１１内に貫通孔を設け、その内面に導電体膜を形成すること等によって誘電体ブロック１１内に短絡導体１２を配置すれば、１／２波長同軸共振器モードの共振周波数は導波管モードの共振周波数に近接してしまう。

このスプリアスモードの高域シフトの効果について図４・図５を参照して説明する。
図４はシミュレーションに用いた誘電体導波管フィルタの各部の寸法および誘電率を示す図である。ここで、短絡導体１２ａ，１２ｂの周囲には誘電体層１３ａ′，１３ｂ′を設けている。図５は上記誘電体層１３ａ′、１３ｂ′の比誘電率を変化させたときの２つの共振器の共振周波数およびスプリアスモードの周波数の変化を示す図である。誘電体層１３ａ′，１３ｂ′の比誘電率を５２とした時、すなわち実質的には空気層がなく誘電体ブロックの誘電体で充填されている状態の時、導波管モードの周波数ｆ１，ｆ２とスプリアスモード（１／２波長同軸共振器モード）の周波数ｆｓｕｐはいずれも約２ＧＨｚとなって、スプリアスモードの影響によりフィルタ特性が悪化することが予想される。

誘電体層１３ａ′，１３ｂ′の比誘電率を５２から低下させていくと、導波管モードの２つの共振器の周波数ｆ１，ｆ２は変化しないが、スプリアスモードの周波数ｆｓｕｐは上昇する。しかも比誘電率が低くなるに従いスプリアスモードの周波数ｆｓｕｐは急激に上昇する。誘電体層１３ａ′，１３ｂ′の比誘電率が１すなわち実際に空気であるとき、スプリアスモードの周波数は約５ＧＨｚとなって共振器の周波数ｆ１，ｆ２から高域側に大きくシフトすることになる。

図４・図５に示した例は、Ｗ−ＣＤＭＡ用のＲＸ帯域１９２０ＭＨｚ〜１９８０ＭＨｚを想定した場合の例である。このＷ−ＣＤＭＡ用のＴＸ帯域は２１１０〜２１７０ＭＨｚであるため、上記誘電体層１３ａ′，１３ｂ′の比誘電率が３０以上であると、スプリアスモードの周波数がＴＸ帯域に重なるので上記誘電体層１３ａ′，１３ｂ′の比誘電率は３０未満であることが望ましい。

次に、第２の実施形態に係る誘電体導波管フィルタについて図６を基に説明する。
第１の実施形態では誘電体導波管フィルタの基本構成を示すために外部との接続のための入出力部を表さなかったが、この第２の実施形態でその具体例を示す。

図６の（Ａ）は誘電体導波管フィルタの正面図、（Ｂ）はその底面図である。直方体形状の誘電体ブロック１１の外面（六面）のほぼ全面に導電体膜１０を形成している。誘電体ブロック１１内には、空気層１３ａ，１３ｂを介して短絡導体１２ａ，１２ｂを配置している。この構成は第１の実施形態で図２に示したものと同様である。但し図６では短絡導体１２ａ，１２ｂの存在を明らかにするために、下面の金属シート１５に相当する金属シートを取り付ける前の状態を示している。

誘電体ブロック１１の長手方向の両端付近には短絡導体１２ａ，１２ｂを配置するために設けた貫通孔と平行な方向に外部結合用導体孔１６，１７を形成している。この外部結合用導体孔の内面には外部結合用の導体膜を形成していて、上端を誘電体ブロック１１の外面に形成した導電体膜１０に導通させている。誘電体ブロック１１の下面には導電体膜１０から分離した中心電極１８，１９を形成していて、それらの端部に上記外部結合用導体の端部を電気的に接続している。

誘電体ブロック１１の長手方向の両端面には同軸コネクタ２０，２１の外導体を取り付けていて、この同軸コネクタの外導体を誘電体ブロック１１外面の導電体膜１０に電気的に導通させている。また、同軸コネクタ２０，２１の中心導体２２，２３を上記中心電極１８，１９に接続している。

この構造により、外部結合用導体孔１６，１７と中心電極１８，１９および誘電体ブロック１１外面の導電体膜１０とによって結合ループが構成され、この結合ループが導波管モードの２つの共振器と磁界結合する。このようにして同軸コネクタ２０，２１を入出力部とする、２段の共振器が結合した帯域通過特性を示すフィルタとして用いることができる。

なお、図６に示した例では、外部結合用導体孔１６，１７を誘電体ブロック１１の厚み方向に貫通するように設けたが、これを誘電体ブロック１１の途中までの穴として設け、誘電体ブロック１１の両端面に同軸コネクタ２０，２１の中心導体を差し込む穴を形成し、同軸コネクタ２０，２１の中心導体を差し込んだ状態でそれらの先端部を外部結合用導体孔内部に電気的に接続するようにしてもよい。

次に、第３の実施形態に係る誘電体導波管フィルタの構成を、図７を基に説明する。
図７の（Ａ）は誘電体導波管フィルタの組み立て前の分解斜視図、（Ｂ）はそれを組み立てた状態での（Ａ）における右端側から見た側面図である。

誘電体ブロック３１には、その厚み方向に貫通する断面矩形の結合調整用孔３３ａ，３３ｂを形成している。この２つの結合調整用孔３３ａ，３３ｂの内部には金属箔からなる短絡導体３２ａ，３２ｂを、空気層を介して配置する。金属シート３４，３５には上記短絡導体３２ａ，３２ｂの上下端を挿入して電気的に導通を図るためのスリット３６ａ，３６ｂを形成している。

金属シート３４，３５は誘電体ブロック３１の外面に形成した導電体膜３０に接合する。

図７（Ｂ）に示すように、短絡導体３２ａ，３２ｂはその上下端が金属シート３４，３５を介して誘電体ブロック内に配置される。

短絡導体３２ａ，３２ｂと金属シート３４，３５との接続は半田付けにより行い、金属シート３４，３５の導電体膜３０への接合も半田付け等によって行う。
このように短絡導体は板状または箔状の導体で構成してもよい。

次に、第４の実施形態に係る誘電体導波管フィルタについて図８を基に説明する。
図８のその誘電体導波管フィルタの分解斜視図である。第１〜第３の実施形態ではいずれも短絡導体の周囲に空気層を形成した例を示したが、この第４の実施形態では、短絡導体の周囲に空気以外の低誘電率の誘電体層を設ける。

誘電体ブロック４１には結合調整用孔４３ａ，４３ｂを形成している。この結合調整用孔４３ａ，４３ｂの内部には円筒形状の樹脂成形体からなる絶縁体スペーサ４７ａ，４７ｂをはめ込み、この絶縁体スペーサ４７ａ，４７ｂの内部に円柱状の短絡導体（金属丸棒）４２ａ，４２ｂを挿入する。

結合調整用孔４３ａ，４３ｂの上下の開口面には金属シート４４，４５を覆い、短絡導体４２ａ，４２ｂの上下端を金属シート４４，４５に電気的に導通させる。

上記絶縁体スペーサ４７ａ，４７ｂはＰＴＦＥからなり、その比誘電率は２．２であって、誘電体ブロック４１の比誘電率５２より充分に低い。

上記金属シート４４，４５は誘電体ブロック４１の外面に形成した導電体膜４０に対して半田付け等により電気的に接合するが、その際、金属シート４４，４５は短絡導体４２ａ，４２ｂの両端を挟み込むように保持して、短絡導体４２ａ，４２ｂとも電気的に同時に接続する。

このように短絡導体４２ａ，４２ｂを金属柱で構成したことにより、金属棒の切断または金属板の打ち抜きによって所定形状の短絡導体を容易に得ることができ、短絡導体を導電体膜で構成する場合に比べて製造が容易となる。

また短絡導体４２ａ，４２ｂを囲むように樹脂成形体からなる絶縁体４７ａ，４７ｂで囲んだことにより、短絡導体４２ａ，４２ｂの誘電体ブロック４１内への位置決めが正確となり、製造上のばらつきによる特性の変動を抑えることかできる。

以上に示した第１〜第４の実施形態では誘電体ブロック１１を仕切る位置に短絡導体１２ａ，１２ｂを複数配置するとともに、それぞれの周囲に低誘電率の誘電体層を設けたことにより、誘電体ブロックに設ける貫通孔の容積（削除量を）を低減でき、誘電体ブロックの機械的強度が確保できる。

次に、第５の実施形態に係る誘電体導波管フィルタについて図９を基に説明する。
第１の実施形態と異なり、誘電体ブロック５１に単一の結合調整用孔５３を形成していて、その内部に２つの短絡導体５２ａ，５２ｂを配置する。すなわち、２つの短絡導体５２ａ，５２ｂの両端を金属シート５４，５５に接合するとともに、この金属シート５４，５４を誘電体ブロック５１の外面に形成した導電体膜５０に接合することによって、短絡導体５２ａ，５２ｂを誘電体ブロック５１内の所定位置に配置する。

このように誘電体ブロック５１を仕切る複数の短絡導体５２ａ，５２ｂを配置するとともにそれら複数の短絡導体の周囲に連続した低誘電率の誘電体層を設けることによって、短絡導体周囲の誘電率を効果的に低減でき、スプリアスモードの周波数をより高域にシフトできる。また、短絡導体で仕切られた互いに隣接する２つの共振器間の誘電体削除量が多くなる（誘電体充填度が小さくなる）ことにより、両共振器間の結合度が小さくなって狭帯域特性が得られる。さらに、連続した低誘電率の誘電体層内で任意の位置に短絡導体を配置できるので、互いに隣接する共振器間の結合度の設定が容易となる。

このような構造は、スプリアスモードの周波数をより高域にシフトさせるとともに２つの共振器の基本モードの結合係数をたとえば２％以下に小さくする場合に適している。

次に、第６の実施形態に係る誘電体導波管フィルタについて図１０を基に説明する。
誘電体ブロック６１には結合調整用孔６３を形成していて、図９に示した場合と同様にその内部に短絡導体６２を配置する。但し、図９に示した構造と異なり、この例では結合調整用導体６６を上部の金属板６４に取り付けている。短絡導体６２は上部の金属板６４と下部の金属板６５とで挟み込むことによって両端を誘電体ブロック６１に形成した導電体膜６０と導通させるが、結合調整用導体６６は上部の金属板６４に支持されて結合調整用孔６３内への挿入量を可変としている。具体的には結合調整用導体６６の外周面に雄ねじを切っておき、金属板６４に設けた雌ねじとの螺合によってその挿入量を可変とする。

このように結合調整用導体を短絡導体とともに設けて、互いに隣接する２つの共振器間の結合度を可変としてもよい。

次に、第７の実施形態に係る誘電体導波管フィルタについて図１１を基に説明する。
誘電体ブロック７１には結合調整用孔７３を形成していて、その内部に短絡導体７２ａ，７２ｂを配置する。上部の金属板７４には結合調整用導体７６を取り付けている。図１０に示したものと同様に、短絡導体７２ａ，７２ｂは上部の金属板７４と下部の金属板７５とで挟み込むことによって両端を誘電体ブロック７１に形成した導電体膜７０と導通させるが、結合調整用導体７６は上部の金属板７４に支持されて結合調整用孔７３内への挿入量を可変としている。

このように複数の短絡導体による結合窓部分に結合調整用導体を設けることによって、互いに隣接する２つの共振器間の結合度を広範囲に亘って調整可能にしてもよい。

なお、以上に示した各実施形態では、直方体形状の誘電体ブロックを用いたが、この「直方体形状」は、六面体形状の角部を面取りした形状を含むものであって、そのような形状の誘電体ブロックを用いた場合でも同様の作用効果を奏する。

また、以上に示した各実施形態では、結合調整用孔の内面と短絡導体の全周囲との間に空気層（低誘電率の誘電体層）が存在する例を示したが、この空気層（低誘電率の誘電体層）は、結合調整用孔の内面と短絡導体の一部の周囲との間に存在していてもよい。すなわち、短絡導体の一部が結合調整用孔の内面の一部に接触するように構成してもよい。

特許文献１に示されている従来の誘電体導波管フィルタの構成を示す図である。 第１の実施形態に係る誘電体導波管フィルタの斜視図である。 短絡導体周囲の構造を示す断面図である。 短絡導体周囲の低誘電率誘電体層の効果を検証するためのシミュレーションで用いた誘電体導波管フィルタの構成を示す図である。 同シミュレーションの結果を示す図である。 第２の実施形態に係る、入出力部を備えた誘電体導波管フィルタの構成を示す図である。 第３の実施形態に係る誘電体導波管フィルタの構成を示す図である。 第４の実施形態に係る誘電体導波管フィルタの斜視図である。 第５の実施形態に係る誘電体導波管フィルタの斜視図である。 第６の実施形態に係る誘電体導波管フィルタの斜視図である。 第７の実施形態に係る誘電体導波管フィルタの斜視図である。

符号の説明

１０，３０，４０，５０，６０，７０−導電体膜
１１，３１，４１，５１，６１，７１−誘電体ブロック
１２，３２，４２，５２，６２，７２−短絡導体
１３−空気層
１４，１５，３４，３５，４４，４５，５４，５５，７４，７５−金属シート
１６，１７−外部結合用導体孔
１８，１９−中心電極
２０，２１−同軸コネクタ
２２，２３−中心導体
２６，３３，４３，５３，６３，７３−結合調整用孔
６４，６５−金属板
３６−スリット
４７−絶縁体スペーサ
６６，７６−結合調整用導体

Claims (7)

1. 直方体形状の誘電体ブロックの外面に導電体膜を形成した誘電体導波管フィルタにおいて、
   前記誘電体ブロック内に、当該誘電体ブロックの互いに対向する２つの外面に形成された導電体膜の所定位置間で導波管モードの電界を短絡する短絡導体を設けて、前記誘電体ブロックに前記短絡導体によって仕切られた領域にそれぞれ共振器を構成するとともに、前記短絡導体の周囲と当該短絡導体を配置するために前記誘電体ブロックに設けた結合調整用孔の内面との間に前記誘電体ブロックの誘電率より低誘電率の誘電体層を設けた誘電体導波管フィルタ。
2. 前記誘電体層は空気層である請求項１に記載の誘電体導波管フィルタ。
3. 前記誘電体層は前記短絡導体を囲む絶縁体である請求項１に記載の誘電体導波管フィルタ。
4. 前記短絡導体は前記誘電体ブロックの外面に形成した導電体膜とは別体の金属柱である請求項１〜３のうちいずれか１項に記載の誘電体導波管フィルタ。
5. 前記短絡導体は前記誘電体ブロックを仕切る位置に複数配置していて、それら複数の短絡導体のそれぞれの周囲に前記低誘電率の誘電体層を設けた請求項１〜４のうちいずれか１項に記載の誘電体導波管フィルタ。
6. 前記短絡導体は前記誘電体ブロックを仕切る位置に複数配置していて、それら複数の短絡導体の周囲に連続した前記低誘電率の誘電体層を設けた請求項１〜４のうちいずれか１項に記載の誘電体導波管フィルタ。
7. 前記短絡導体によって仕切られる位置に前記誘電体ブロック内への挿入量を可変にした結合調整用導体を設けた請求項１〜６のうちいずれか１項に記載の誘電体導波管フィルタ。

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