JP2008011101A - Ｔｍ二重モード誘電体共振装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ＴＭ二重モードの共振周波数を独立して調整可能にし結合度を容易に調整できるようにする。
【解決手段】八角形の厚板形状体の誘電体共振器１を、両面に開口が形成される四角形の空洞形状体のキャビティ２内に、その各面に誘電体共振器１の１つの面が接触する形態で設置する。誘電体共振器１を４等分した１つの部分に孔４を設ける。キャビティ２の二つの開口のうち一方の開口は、電波の入力端子５及び結合ループ６を、他方の開口は、電波の出力端子７及び結合ループ８を備えた蓋体２ａ及び２ｂで封止しＴＭ二重モードを励振させる。誘電体共振器１のキャビティ２と接触する４箇所の部分に、厚板方向に溝３を形成し、これらの溝３に挿抜可能なようにキャビティ２に周波数調整ねじｃ１、ｃ２を、またキャビティ２の角部に誘電体共振器１の中心方向に誘電体共振器１を避けて挿抜可能な結合度調整ねじｅを設ける。これらにより各モードの共振周波数及びモードの結合度を調整する。
【選択図】図２

Description

本発明は、直交する縮退形のＴＭモードを励振する誘電体共振器を有するＴＭ二重モード誘電体共振装置に関する。

従来、ＴＭ二重モード誘電体共振装置は、キャビティと誘電体柱とを同一の誘電体材料で一体成型により形成し、その上でキャビティの二つの開口を金属パネルで封止して構成されている。そしてキャビティの周囲を導体で覆い、これを金属パネルと電気的に接続している。

前記誘電体柱は、二本の角柱状の誘電体柱を一体に複合した十字形状の誘電体柱であり、各誘電体柱の交差部に切欠き部を設けることにより励振モードの結合が形成されるようになっている。また各柱状部分には、誘電体柱の軸方向に垂直な方向に調整孔を設け、この調整孔に対して挿抜可能なように調整棒がキャビティに取り付けられている。

このような構成の誘電体共振装置においては、隣合う二本の誘電体柱にそれぞれ調整孔を設けるため、二つの調整孔を横切る電界、一つの調整孔のみを横切る電界、一つの調整孔も横切らない電界が形成されることとなり励振モードの結合係数が変化する。この係数を調整するためには結合調整機構を設ける必要があるが、十字形状誘電体柱からなる誘電体共振装置においては、調整機構の設置は装置の構造が複雑になり得策ではない。そこで、一つのモードの調整によって生じる誘電率と他のモードの調整によって生じる誘電率とが異なるように、調整孔の断面形状と調整棒の形状を異なるように加工する、或いは調整孔の内面を特定の形状に加工するなどの手段を用いることにより共振周波数及びそれに伴う結合係数の調整を行っている（特許文献１参照）。
特開平９−１８２１０号公報

前記従来のＴＭ二重モード誘電体共振装置によれば、二つの異なる励振モードの結合係数は調整可能になる。

しかしながら、調整動作は、二つの調整孔に挿抜される二つの調整棒の調整によって行われるので、二つの異なる励振モードの共振周波数が相互に関連し合い二つの異なる励振モードの各共振周波数を独立して調整することは困難であった。つまり結合係数の調整操作により二つの共振周波数が連動して変化するので、所定の結合係数に調整するのに労力と時間がかかるという問題がある。このため従来のＴＭ二重モード誘電体共振装置を組合せてバンドパスフィルタを形成するような場合、所定の通過帯域特性を得るのに大変な労力と時間がかかるという問題がある。

そこで本発明は、このような実情に鑑みてなされたものであり、その目的は、ＴＭ二重モード誘電体共振装置において、各モードの共振周波数をそれぞれ独立して調整可能し、各モードの結合度を容易に調整できるようにすることである。

請求項１の発明は、二つの開口を有する四角形のキャビティ内にキャビティの各面にそれぞれ接触して設置された縦断面が八角形の厚板状の誘電体共振器であって、キャビティとの非接触面側部分に横断面方向に設けられた孔及びキャビティとの接触面側部分に縦断面方向に設けられた溝を有する誘電体共振器と、キャビティに設置され前記溝に挿抜可能な第１の調整部材と、キャビティ角部からキャビティ内に前記誘電体共振器を避けて挿抜可能な第２の調整部材と、前記開口をそれぞれ封止する蓋体であって、内側に設置方向が互いに直交する、電波の結合手段を有する蓋体、とを備えたことを特徴とするＴＭ二重モード誘電体共振装置である。
請求項２の発明は、請求項１記載のＴＭ二重モード誘電体共振装置において、前記キャビティと蓋体は、同一の金属性材料で形成されたことを特徴とするＴＭ二重モード誘電体共振装置である。
請求項３の発明は、請求項１又は２記載のＴＭ二重モード誘電体共振装置において、前記キャビティに設置され前記溝に挿抜可能な第１の調整部材は、キャビティとの全ての接触面側部分に設置されたことを特徴とするＴＭ二重モード誘電体共振装置である。
請求項４の発明は、請求項３記載のＴＭ二重モード誘電体共振装置において、前記キャビティ角部からキャビティ内に前記誘電体共振器を避けて挿抜可能な第２の調整部材は、厚板状の誘電体共振器の両面側にそれぞれ設置されたことを特徴とするＴＭ二重モード誘電体共振装置である。

本発明によれば、ＴＭ二重モード誘電体共振装置において、各モードの共振周波数を独立して調整することができ、よって各モードの結合度を容易に調整することができる。

以下、本発明の実施形態に係るＴＭ二重モード誘電体共振器を有する二重モード誘電体共振装置について図面を参照して説明する。
図１は、本発明の実施形態に係るＴＭ二重モード誘電体共振装置の全体イメージを概略的に示す図である。図において、誘電体共振器１は、低誘電率セラミックスからなる八角形の厚板形状体として形成する。キャビティ２は、アルミニウム等の金属材料から形成し、両面に開口が構成される四角形の空洞形状体として形成する。そしてこのキャビティ２内に、その相対向する面にそれぞれ八角形の誘電体共振器１の１つの面が接触する形態で、誘電体共振器１を設置する。図１では図示されていないが、キャビティ２の２つの開口のうち、一方の開口は電波の入力端子を備えたキャビティ２と同じ材料の蓋体で、また他方の開口は電波の出力端子を備えたキャビティ２と同じ材料の蓋体で、それぞれ封止する。Ｘ−Ｘ及びＹ−Ｙ並びにＺ−Ｚは、それぞれ直交する誘電体共振器１の横軸（Ｘ軸）及び縦軸（Ｙ軸）方向並びに奥行き軸（Ｚ軸）方向の中心線（座標軸）を示す。

図２は、ＴＭ二重モード誘電体共振装置の中央部断面図であり、図２（Ａ）はキャビティ２の開口側からみた中央部断面構成図、図２（Ｂ）は図２（Ａ）をＹ軸廻りに９０度回転させたときの中央部断面構成図である。図において、誘電体共振器１は、Ｘ軸及びＹ軸の座標軸上で、誘電体共振器１のキャビティ２と接触する４箇所の部分に、所定の幅と深さの溝３を構成する。そして、これらの溝３に挿抜可能なようにキャビティ２に周波数調整ねじｃ１、ｃ２を取り付ける。なお、誘電体共振器１の厚さはｔとする。

また誘電体共振器１を、Ｘ軸及びＹ軸の座標軸により４等分し、その１つの部分の所定の位置（ｘ、ｙ）に、所定の直径φ（ｄ）の孔４をＺ軸方向に貫通するように設ける。

さらにキャビティ２の角部に、誘電体共振器１に衝突しないように誘電体共振器１を避けて誘電体共振器１の両脇に、誘電体共振器１の中心方向に結合調整ねじｅ、ｅを取り付ける。

キャビティ２の一方の開口を封止する蓋体２ａには同軸コネクタ５を取り付け、そのキャビティ２の内側にはＹ軸方向に向け結合ループ６を設ける。またキャビティ２の他方の開口を封止する蓋体２ｂには同軸コネクタ７を取り付け、そのキャビティ２の内側にＸ軸方向に向け結合ループ８を設ける。

ここで、誘電体共振器１におけるＴＭ二重モードの励振メカニズムついて図３乃至図６を参照して説明する。
図３は、誘電体共振器に孔を設けない場合の励振モードを説明する図である。図において、孔４に相当する孔を有しない誘電体共振器１０が設置される場合には、キャビティ２内に導入される電磁波の偏波方向により方向が決定される、Ｙ軸方向へ向かう電界Ｅ及びこれに直角方向に発生する電界ＨによるＴＭ共振モードａ（図３（Ａ））と、Ｘ軸方向に向かう電界Ｅ及びこれと直角方向に発生する磁界ＨによるＴＭ共振モードｂ（図３（Ｂ））が励振される。それぞれのＴＭ共振モードはお互いに影響されず独立して存在できる。

図４は、独立した共振モードにおけるレスポンスを示す図であり、図中、横軸は周波数、縦軸はレスポンスを示し、共振モードａと共振モードｂは、独立して存在（励振）する。キャビティ２に設けた調整ネジｃ１、ｃ１及び調整ねじｃ２、ｃ２が所定位置に調整されている場合には、共振モードａ，ｂは完全に重なった状態で励振する。調整ねじｃ１を調整することにより共振モードａの共振位置（周波数）を調整することができ、また調整ねじｃ２を調整することにより共振モードｂの共振位置（周波数）を調整することができる。図４はこれらの調整によって共振位置が若干ずれた状態を示している。

図５は、誘電体共振器に孔を設けた場合の励振モードを説明する図である。図において、本発明に係る孔４を設けた誘電体共振器１が設置される場合には、キャビティ２内に電波が導入されると、図３に示されるＹ軸方向に向かう電界Ｅとこれと直角方向に発生する磁界ＨによるＴＭ共振モードａは右側に９０度回転してＴＭ共振モードａ１を発生し（図５（Ａ））、また図３に示されるＸ軸方向に向かう電界Ｅとこれと直角方向に発生する磁界ＨによるＴＭ共振モードｂは左側に９０度回転してＴＭ共振モードｂ１を発生し（図５（Ｂ））、結局共振モードａ１と共振モードｂ２は結合してＴＭ二重モードで励振する。

図６は、二重モードにおけるレスポンスを示す図であり、図中、横軸は周波数、縦軸はレスポンスを示し、共振モードａ１と共振モード１ｂは、結合したモードとして励振する。このとき、誘電体共振器の孔４の直径ｄ及びＸＹ軸上の位置（ｘ、ｙ）を変えることにより、共振モード１ａと共振モード１ｂの結合度を示す結合係数ｋが異なる誘電体共振器を形成することができ、また誘電体共振器の板厚ｔを変えることにより、共振モード１ａと共振モード１ｂの共振周波数が異なる誘電体共振器を形成することができる。

図２に戻り、結合調整ねじｅは、所定位置（座標ｘ、ｙ）且つ直径ｄの孔４を備える誘電体共振器１によって一義的に決定されるＴＭ二重共振モードの結合度を、その挿抜により調整可能にする。

図７は、本発明の実施形態に係るＴＭ二重モード誘電体共振装置の等価回路を示す図である。図において、本ＴＭ二重モード誘電体共振装置は、八角形の厚板形状体の誘電他体共振器１、及びそのキャビティ２と接触する４箇所の部分に設けた溝３、及びその４等分した１つの部分の孔４により、独立した二つのＬＣ共振回路Ａ１とＬＣ共振回路Ｂ１の結合回路として構成される。よって、それぞれの共振回路Ａ１、Ｂ１の可変コンデンサＣに相当する調整ねじｃ１、ｃ２により、それぞれの共振周波数を独立して調整することができ、また調整ねじｅの調整により共振回路Ａ１と共振回路Ｂ１との結合度を調整することができる。このことにより図１及び図２で示したＴＭ二重モード誘電体共振装置において、独立して共振周波数の調整ができると共に結合度の調整ができることになる。

本ＴＭ二重モード誘電体共振装置は、２つ以上の装置をキャビティ間結合ループにより結合して４段以上で偶数段のバンドパスフィルタとして構成することができる。それぞれの共振装置における周波数調整ねじｃ１、ｃ２及び結合調整ねじｅを調整することにより所定の通過帯域特性を有するバンドパスフィルタを実現することが可能である。

図８は、このようにして構成した4段のバンドパスフィルタの通過帯域特性を示す図である。図において、横軸は周波数ｆｒｅｑ、縦軸はレスポンスｙ１を示し、中心周波数０．８７ＧＨｚ、通過帯域幅０．０２ＧＨｚの通過帯域特性が実現できたことを示している。

本実施形態によれば、誘電体共振器を八角形の厚板で構成し、これを四角形のキャビティ内の各面に誘電体共振器の面が接触するように設置し、かつ厚板を貫通する孔を１つ設けることにより二重モードを励振させるので、それぞれの誘電体柱に孔を有する十字形誘電体柱で発生するような各柱同士の結合係数の変化は生じなくなる、また不要な高次モードが共振周波数の近隣領域で発生することもなくなり、安定したＴＭ二重モードを発生させることができる。しかも誘電体共振器は見かけ上二つの独立した共振回路の結合回路を構成するので、二つの励振モードにおける共振周波数の調整をそれぞれのモードで独立して調整することができる。また、誘電体の板厚の変化により共振周波数が異なり、貫通孔の大きさ（直径）及び設置位置の変化により異なる結合度の二重モードが励振可能になる。更にこの結合度を挿抜可能な調整ねじにより調整することができる。したがって２つの誘電体共振装置を組合せて４段のバンドパスフィルタを構成するとき、容易に所定の通過帯域特性のフィルタを実現することができる。

更にまた、八角形の厚板で構成される誘電体共振器は、キャビティへの取付けが容易になり、且つキャビティとキャビティ封止用の蓋体はともにアルミニウム製であるので、セラミックス製キャビティの外周を導体で覆い、これを金属製の蓋体と電気的に接続する必要もない、そして二重モードを励振させるための孔あけや溝形成加工も板状体のセラミックスに対するドリル等による加工のみとなるためクラック、割れ等の破損を発生させるおそれもなくなる。よって誘電体共振装置を安価で容易に製作することができる。

本発明の実施形態に係るＴＭ二重モード誘電体共振装置の全体イメージを概略的に示す図である。 図１のＴＭ二重モード誘電体共振装置の中央部断面図である。 図１の誘電体共振器に孔を設けない場合の励振モードを説明する図である。 独立した共振モードにおけるレスポンスを示す図である。 図１の誘電体共振器に孔を設けた場合の励振モードを説明する図である。 結合した共振モードにおけるレスポンスを示す図である。 本発明の実施形態に係るＴＭ二重モード誘電体共振装置の等価回路を示す図である。 本発明の実施形態に係るＴＭ二重モード誘電体共振装置を二つ組合せて構成したバンドパスフィルタの通過帯域特性を示す図である。

符号の説明

１・・誘電体共振器、２・・キャビティ、３・・溝、４・・孔、５・・同軸コネクタ、６・・結合ループ、７・・同軸コネクタ、８・・結合ループ、ｃ１・・周波数調整ねじ、ｃ２・・周波数調整ねじ、ｅ・・結合調整ねじ。

Claims (4)

1. 二つの開口を有する四角形のキャビティ内にキャビティの各面にそれぞれ接触して設置された縦断面が八角形の厚板状の誘電体共振器であって、キャビティとの非接触面側部分に横断面方向に設けられた孔及びキャビティとの接触面側部分に縦断面方向に設けられた溝を有する誘電体共振器と、キャビティに設置され前記溝に挿抜可能な第１の調整部材と、キャビティ角部からキャビティ内に前記誘電体共振器を避けて挿抜可能な第２の調整部材と、前記二つの開口をそれぞれ封止する蓋体であって、内側に設置方向が互いに直交する、電波の結合手段を有する蓋体、とを備えたことを特徴とするＴＭ二重モード誘電体共振装置。
2. 請求項１記載のＴＭ二重モード誘電体共振装置において、
   前記キャビティと蓋体は、同一の金属性材料で形成されたことを特徴とするＴＭ二重モード誘電体共振装置。
3. 請求項１又は２記載のＴＭ二重モード誘電体共振装置において、
   前記キャビティに設置され前記溝に挿抜可能な第１の調整部材は、キャビティとの全ての接触面側部分に設置されたことを特徴とするＴＭ二重モード誘電体共振装置。
4. 請求項３記載のＴＭ二重モード誘電体共振装置において、
   前記キャビティ角部からキャビティ内に前記誘電体共振器を避けて挿抜可能な第２の調整部材は、厚板状の誘電体共振器の両面側にそれぞれ設置されたことを特徴とするＴＭ二重モード誘電体共振装置。

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