JP2007217191A - 高周波用誘電体磁器組成物、誘電体共振器、誘電体フィルタ、誘電体デュプレクサ、および通信機装置 - Google Patents

高周波用誘電体磁器組成物、誘電体共振器、誘電体フィルタ、誘電体デュプレクサ、および通信機装置 Download PDF

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Abstract

【課題】 高いεrと高いＱ×ｆ値を有し、またτfの絶対値が小さい、優れた誘電特性を示す高周波用誘電体磁器組成物を提供しようとする。
【解決手段】 組成式：Ｂａ｛（ＭｇaＣｏ1-a）x（ＴａbＮｂ1-b）1-x｝vＯw（ただし、ｗは磁器としての電気的中性を保つのに必要な正の数）で表わされる組成を有し、上記組成式におけるａ、ｂ、ｘ、およびｖが、
０．１≦ａ≦０．９、
０．１≦ｂ≦０．９、
０．３１５≦ｘ≦０．３４５、
０．９８≦ｖ≦１．０３
の範囲内にある主成分１００重量部に対して、ＣｕＯおよび／またはＣｅＯ2である副成分を０．００１〜１．０重量部含有する。
【選択図】 なし

Description

この発明は、マイクロ波やミリ波等の高周波領域において利用される高周波用誘電体磁器組成物、ならびにそれを用いて構成される誘電体共振器、誘電体フィルタ、誘電体デュプレクサ、および通信機装置に関する。
マイクロ波やミリ波等の高周波領域において、誘電体共振器や回路基板等を構成する材料として、誘電体磁器が広く利用されている。
このような高周波用誘電体磁器が、特に誘電体共振器や誘電体フィルタ等の用途に向けられる場合、要求される誘電特性としては、（１）誘電体中では電磁波の波長が１／（εr 1/2）に短縮されるので、小型化の要求への対応として比誘電率（εr）が高いこと、（２）誘電損失が小さい、すなわちＱ値が高いこと、（３）共振周波数の温度安定性が優れている、すなわち共振周波数の温度係数（τf）が０ｐｐｍ／℃付近であること等が挙げられる。
ここでτfは、２５℃における共振周波数（ｆ25）と、５５℃における共振周波数（ｆ55）の値とを用いて、共振周波数温度曲線を直線近似したときの傾き（１次微係数）を表わすものであり、その値はτf＝（ｆ55−ｆ25）／（ｆ25・（５５℃−２５℃））の式によって求められる。
従来、上述したような要求を満たし得る高周波用誘電体磁器組成物として、例えばＢａ（Ｍｇ、Ｃｏ、Ｔａ、Ｎｂ）Ｏ3系（特許文献１参照）やＢａ（Ｍｇ、Ｃｏ、Ｔａ、Ｎｂ）Ｏ3にＡｌ2Ｏ3、Ｃｒ2Ｏ3、Ｙ2Ｏ3、Ｍｎ2Ｏ3を添加した系（特許文献２参照）等が、既に多数提案されている。
特開昭６１−２２４２１１号公報 特公平５−１５００６号公報
近年、電子機器の低損失化、かつ小型化の要求が高まり、誘電体共振器や誘電体フィルタ等の用途に向けられる高周波用誘電体磁器に要求される誘電特性に関して、より優れたものが必要とされるようになっている。特に、高周波領域で使用しても、高いεr、高いＱ値、および高い温度安定性（τfが０ｐｐｍ／℃付近）を併せ持つ材料に対する要求が高まってきている。
ここで、前記特許文献１および２に記載された組成系を有する誘電体磁器組成物は、εrが約２６〜３２であり、Ｑ値（１ＧＨｚ）が約１２０、０００〜１５０、０００であり、τfは０±６ｐｐｍ／℃付近で制御できる、優れた高周波用誘電体材料である。
しかしながら、近年の通信技術の進歩に伴い、それを支えるための高性能な高周波用電子部品が必要となっており、そのような高周波用電子部品の開発に不可欠な、従来よりさらに優れた特性を示す高周波用誘電体材料が求められている。
そこで、この発明の目的は、上述したような問題を解決し得る、すなわちマイクロ波やミリ波等の高周波領域で使用しても、高いεrと高いＱ値を有し、またτfの絶対値が小さい、高周波用誘電体磁器組成物を提供しようとすることである。
上述した技術的課題を解決するため、この発明の高周波用誘電体磁器組成物は、 組成式：Ｂａ｛（ＭｇaＣｏ1-a）x（ＴａbＮｂ1-b）1-x｝vＯw（ただし、ｗは磁器としての電気的中性を保つのに必要な正の数）で表わされる組成を有し、上記組成式におけるａ、ｂ、ｘ、およびｖが、０．１≦ａ≦０．９、０．１≦ｂ≦０．９、０．３１５≦ｘ≦０．３４５、０．９８≦ｖ≦１．０３の範囲内にある主成分１００重量部に対して、ＣｕＯおよび／またはＣｅＯ2である副成分を、合計量で０．００１〜１．０重量部含有する。
また、この発明の誘電体共振器は、誘電体磁器が入出力端子に電磁界結合して作動するものである誘電体共振器であって、前記誘電体磁器は、上述したこの発明の高周波用誘電体磁器組成物からなる。
また、この発明の誘電体フィルタは、上述した誘電体共振器と、この誘電体共振器の入出力端子に接続される外部結合手段とを備える。
また、この発明の誘電体デュプレクサは、少なくとも２つの誘電体フィルタと、前記誘電体フィルタのそれぞれに接続される入出力接続手段と、前記誘電体フィルタに共通に接続されるアンテナ接続手段とを備える誘電体デュプレクサであって、前記誘電体フィルタの少なくとも１つが、上述したこの発明に係る誘電体フィルタである。
さらに、この発明の通信機装置は、上述の誘電体デュプレクサと、この誘電体デュプレクサの少なくとも１つの入出力接続手段に接続される送信用回路と、この送信用回路に接続される上述の入出力手段とは異なる、少なくとも１つの入出力接続手段に接続される受信用回路と、前記誘電体デュプレクサのアンテナ接続手段に接続されるアンテナとを備える。
この発明によれば、組成式：Ｂａ｛（ＭｇaＣｏ1-a）x（ＴａbＮｂ1-b）1-x｝vＯw（ただし、ｗは磁器としての電気的中性を保つのに必要な正の数）で表わされる組成を有し、上記組成式におけるａ、ｂ、ｘ、およびｖが、０．１≦ａ≦０．９、０．１≦ｂ≦０．９、０．３１５≦ｘ≦０．３４５、０．９８≦ｖ≦１．０３の範囲内にある主成分１００重量部に対して、ＣｕＯおよび／またはＣｅＯ2である副成分を、合計量で０．００１〜１．０重量部含有するようにしているので、同一の主成分組成に対して副成分を含有していない場合、すなわち従来の誘電体磁器組成物と比較して、εrを低下させたりτfの絶対値を大きくしたりすることなく、Ｑ×ｆ値を大きく向上させることができ、さらに優れたマイクロ波誘電特性を示す、高周波用誘電体磁器組成物を得ることができる。
したがって、例えば基地局、携帯電話、パーソナル無線機、衛星放送受信機等に搭載される誘電体共振器を小型化し、誘電損失を小さいものとし、また共振周波数の温度安定性を優れたものとすることができる。その結果、このような誘電体共振器を用いれば、小型化され、かつ優れた特性を有する誘電体フィルタ、誘電体デュプレクサ、および通信機装置を有利に構成することができる。
まず、この発明の高周波用誘電体磁器組成物が適用される誘電体共振器、誘電体フィルタ、誘電体デュプレクサ、および通信機装置について説明する。
図１は、この発明の高周波用誘電体磁器組成物を用いて構成される誘電体共振器１の基本的構造を図解的に示す断面図である。
図１を参照して、誘電体共振器１は、金属ケース２を備え、金属ケース２内の空間には、支持台３によって支持された柱状の誘電体磁器４が配置されている。そして、同軸ケーブル７の中心導体と外導体との間に結合ループ５を形成して入力端子とする。また、同軸ケーブル８の中心導体と外導体との間に結合ループ６を形成して出力端子とする。それぞれの端子は、外導体と金属ケース２とが電気的に接合された状態で、金属ケース２によって保持されている。
誘電体磁器４は、入力端子および出力端子に電磁界結合して作動するもので、入力端子から入力された所定の周波数の信号だけが出力端子から出力される。
このような誘電体共振器１に備える誘電体磁器４が、この発明の高周波用誘電体磁器組成物から構成される。
なお、図１に示した誘電体共振器１は、基地局等で用いられるＴＥ０１δモード共振器であるが、この発明の高周波用誘電体磁器組成物は、他のＴＥモード、ＴＭモード、およびＴＥＭモードなどを利用する誘電体共振器にも同様に適用することができる。
図２は、上述した誘電体共振器１を用いて構成される通信機装置の一例を示すブロック図である。
図２に示した通信機装置１０は、誘電体デュプレクサ１２、送信用回路１４、受信用回路１６およびアンテナ１８を含む。
送信用回路１４は、誘電体デュプレクサ１２の入力接続手段２０に接続され、受信用回路１６は、誘電体デュプレクサ１２の出力接続手段２２に接続される。
また、アンテナ１８は、誘電体デュプレクサ１２のアンテナ接続手段２４に接続される。
この誘電体デュプレクサ１２は、２つの誘電体フィルタ２６、２８を含む。誘電体フィルタ２６、２８は、この発明の誘電体共振器に外部結合手段を接続して構成されるものである。図示の実施形態では、例えば図１に示した誘電体共振器１の入出力端子にそれぞれ外部結合手段３０を接続して、誘電体フィルタ２６および２８のそれぞれが構成される。そして、一方の誘電体フィルタ２６は、入力接続手段２０と他方の誘電体フィルタ２８との間に接続され、他方の誘電体フィルタ２８は、一方の誘電体フィルタ２６と出力接続手段２２との間に接続される。
次に、図１に示した誘電体共振器１に備える誘電体磁器４のように、高周波領域において有利に用いられる、この発明の高周波用誘電体磁器組成物について説明する。
この発明の高周波用誘電体磁器組成物は、組成式：Ｂａ｛（ＭｇaＣｏ1-a）x（ＴａbＮｂ1-b）1-x｝vＯw（ただし、ｗは磁器としての電気的中性を保つのに必要な正の数）で表わされる組成を有し、上記組成式におけるａ、ｂ、ｘ、およびｖが、０．１≦ａ≦０．９、０．１≦ｂ≦０．９、０．３１５≦ｘ≦０．３４５、０．９８≦ｖ≦１．０３の範囲内にある主成分１００重量部に対して、ＣｕＯおよび／またはＣｅＯ2である副成分を、合計量で０．００１〜１．０重量部含有する。
この発明において、上述のような特定的な組成を選んだ根拠となる実施例について、以下に説明する。
まず、主成分の出発原料として、高純度の炭酸バリウム（ＢａＣＯ3）、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）、炭酸コバルト（ＣｏＣＯ3）、酸化タンタル（Ｔａ2Ｏ5）、および酸化ニオブ（Ｎｂ2Ｏ5）の各粉末を準備した。
これらの各出発原料粉末を、表１〜３に示すａ、ｂ、ｘおよびｖにそれぞれ選ばれた、組成式：Ｂａ｛（ＭｇaＣｏ1-a）x（ＴａbＮｂ1-b）1-x｝vＯw（ただし、ｗは磁器としての電気的中性を保つのに必要な正の数）で表わされる組成が得られるように調合し、ボールミルを用いて１６ｈ湿式混合することで均一に分散させた後、脱水および乾燥処理を施して調整粉末を得た。
得られた調整粉末を１１００〜１３００℃の温度で３ｈ仮焼し、主成分原料粉末とした。
次に、副成分の出発原料として、高純度の酸化銅（ＣｕＯ）および酸化セリウム（ＣｅＯ2）の各粉末を準備した。
前記主成分原料粉末１００重量部に対して、これらの副成分出発原料粉末が表１〜３に示す重量部となるように調合し、さらに適量のバインダを加えて、再びボールミルを用いて１６ｈ湿式粉砕させた後、脱水および乾燥処理を施して焼成用粉末を得た。
そして、この焼成用粉末を、１．４７×１０2〜２．４５×１０2ＭＰａの圧力で円板状にプレス成形した後、１４５０〜１６００℃の温度で４〜２４ｈ、大気中あるいは高酸素濃度雰囲気中において焼成し、直径１０ｍｍ、厚さ５ｍｍの円板状の焼結体を得た。
得られた各試料に係る焼結体について、測定周波数（ｆ）を６〜１０ＧＨｚとして、共振点ピークを両端短絡型誘電体共振器法にて測定し、ＴＥ０１１モードにおける共振点ピーク高さと試料寸法からεrを求めた。また、共振点ピーク形状からＱ値を求め、その時の共振周波数によりＱ×ｆ値に換算した。さらに、ＴＥ０１δモードによるキャビティ法にて共振周波数を測定し、２５〜５５℃の温度範囲でのτfを測定した。
上述のようにして測定した、試料組成に対応したεr、Ｑ×ｆ値、およびτfを表１〜３に示す。
Figure 2007217191
Figure 2007217191
Figure 2007217191
表１〜３において、試料番号に＊を付したものは、この発明の範囲外の試料である。
表１〜３に示すように、主成分が組成式：Ｂａ｛（ＭｇaＣｏ1-a）x（ＴａbＮｂ1-b）1-x｝vＯw（ただし、ｗは磁器としての電気的中性を保つのに必要な正の数）で表わされる組成を有し、上記組成式におけるａ、ｂ、ｘ、およびｖが、０．１≦ａ≦０．９、０．１≦ｂ≦０．９、０．３１５≦ｘ≦０．３４５、０．９８≦ｖ≦１．０３の範囲内にある試料番号４〜１９、２６〜３７、４４〜５７、６４〜８０、および８４〜９８に係る誘電体磁器組成物によれば、εrが２５．０〜３３．０と大きく、Ｑ×ｆ値が１００、０００以上と高く、τfの絶対値が１０ｐｐｍ／℃以内に小さい、優れたマイクロ波誘電特性を得ることができる。
特に前記試料番号中において、主成分１００重量部に対して、ＣｕＯおよび／またはＣｅＯ2である副成分を、合計量で０．００１〜１．０重量部含有する、本発明の範囲内の試料である試料番号５、６、８、９、１１〜１３、１５、１６、１８、１９、２７、２８、３０、３１、３３、３４、３６、３７、４５〜４７、４９、５０、５２、５３、５５〜５７、６５〜６７、６９、７０、７２、７３、７５、７６、７８〜８０、８４〜８７、８９〜９２、および９４〜９７に係る誘電体磁器組成物によれば、例えば試料番号１０（従来の誘電体磁器組成物）と１１〜１３、および８４〜８７との比較から分かるように、同一の主成分組成に対して副成分を含有していない場合と比較して、εrを低下させたりτfの絶対値を大きくしたりすることなく、Ｑ×ｆ値を大きく向上させることができ、さらに優れたマイクロ波誘電特性を得ることができる。
これらに対して、この発明の範囲外にある試料について考察する。
まず、ａ＜０．１、またはａ＞０．９の場合は、それぞれ試料番号１〜３と２０〜２２に示すように、Ｑ×ｆ値が１００、０００未満となる。
次に、ｂ＜０．１の場合は、試料番号２３〜２５に示すように、Ｑ×ｆ値が１００、０００未満となる。他方、ｂ＞０．９の場合は、試料番号３８〜４０に示すように、εrが２５未満となる。
次に、ｘ＜０．３１５、またはｘ＞０．３４５の場合は、それぞれ試料番号４１〜４３と５８〜６０に示すように、Ｑ×ｆ値が１００、０００未満となる。
次に、ｖ＜０．９８の場合は、試料番号６１〜６３に示すように、焼結性が低下し、１６００℃でも焼結しなくなる。他方、ｖ＞１．０３の場合は、試料番号８１〜８３に示すように、Ｑ×ｆ値が１００、０００未満となり、またτfの絶対値が１０ｐｐｍ／℃を超える。
次に、試料番号８８、９３、および９８に示す副成分の含有量が１．０重量部を超える場合は、例えば試料番号１０（従来の誘電体磁器組成物）と８８の比較から分かるように、同一の主成分組成に対して副成分を含有していない場合、すなわち従来の誘電体磁器組成物よりもＱ×ｆ値が低下する。
なお、この発明の高周波用誘電体磁器組成物は、この発明の目的を損なわない範囲内で、わずかな副成分をさらに含有させてもよい。例えば、ＺｒＯ2、ＳｉＯ2、Ｌｉ2Ｏ、Ｂ2Ｏ3、ＰｂＯ、Ｂｉ2Ｏ3、ＭｎＯ2、ＮｉＯ、Ｆｅ2Ｏ3、Ｃｒ2Ｏ3、Ｖ2Ｏ5等を０．０１〜１．００重量％含有させることで、誘電体磁器の特性を劣化させることなく、焼成温度を２０〜３０℃低下させることができる。
この発明の高周波用誘電体磁器組成物を用いて構成される誘電体共振器１の基本的構造を図解的に示す断面図である。 図２に示した誘電体共振器１を用いて構成される通信機装置の一例を示すブロック図である。
符号の説明
１ 誘電体共振器
２ 金属ケース
３ 支持台
４ 誘電体磁器
５、６ 結合ループ
７、８ 同軸ケーブル
１０ 通信機装置
１２ 誘電体デュプレクサ
１４ 送信用回路
１６ 受信用回路
１８ アンテナ
２０ 入力接続手段
２２ 出力接続手段
２４ アンテナ接続手段
２６、２８ 誘電体フィルタ
３０ 外部結合手段

Claims (5)

  1. 組成式：Ｂａ｛（ＭｇaＣｏ1-a）x（ＴａbＮｂ1-b）1-x｝vＯw（ただし、ｗは磁器としての電気的中性を保つのに必要な正の数）で表わされる組成を有し、上記組成式におけるａ、ｂ、ｘ、およびｖが、
    ０．１≦ａ≦０．９、
    ０．１≦ｂ≦０．９、
    ０．３１５≦ｘ≦０．３４５、
    ０．９８≦ｖ≦１．０３
    の範囲内にある主成分１００重量部に対して、ＣｕＯおよび／またはＣｅＯ2である副成分を、合計量で０．００１〜１．０重量部含有することを特徴とする、高周波用誘電体磁器組成物。
  2. 誘電体磁器が入出力端子に電磁界結合して作動するものである誘電体共振器であって、前記誘電体磁器は、請求項１に記載の高周波用誘電体磁器組成物からなる、誘電体共振器。
  3. 請求項２に記載の誘電体共振器と、前記誘電体共振器の入出力端子に接続される外部結合手段とを備える、誘電体フィルタ。
  4. 少なくとも２つの誘電体フィルタと、前記誘電体フィルタのそれぞれに接続される入出力接続手段と、前記誘電体フィルタに共通に接続されるアンテナ接続手段とを備える誘電体デュプレクサであって、前記誘電体フィルタの少なくとも１つが請求項３に記載の誘電体フィルタである、誘電体デュプレクサ。
  5. 請求項４に記載の誘電体デュプレクサと、前記誘電体デュプレクサの少なくとも１つの入出力接続手段に接続される送信用回路と、前記送信用回路に接続される前記入出力手段とは異なる少なくとも１つの入出力接続手段に接続される受信用回路と、前記誘電体デュプレクサのアンテナ接続手段に接続されるアンテナとを備える、通信機装置。
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