JP2015192297A - 水晶導波管フィルタ - Google Patents

Abstract

【課題】 簡易な構成で組み立てが容易であり、コストを低減でき、良好な特性が得られる水晶導波管フィルタを提供する。
【解決手段】 水晶部３１と空気部３２とが隣接して配置され、空気部３２に隣接する水晶部３１のＥ面に、スロット線路と、入力ポート３６と、出力ポート３７とを備えた金属パターン３３が形成された水晶導波管フィルタを基準の構成として、基準の構成から空気部３２を囲む導体壁を取り除き、基準の構成と比べて、スロット線路の幅を大きくすると共に、水晶部３１の端面の大きさを小さくして、共振周波数及び負荷Ｑ値の低下を防ぐようスロット線路の幅又は／及び水晶部３１の端面の大きさが調整される水晶導波管フィルタとしている。
【選択図】 図１

Description

本発明は、水晶導波管フィルタに係り、特に製造が容易で高性能な水晶導波管フィルタに関する。

［先行技術の説明］
マイクロ波やミリ波用のフィルタとして、導波管フィルタがある。
従来の導波管フィルタとしては、高い加工精度が必要なアイリスやフィンを用いない簡易な構成としつつ、良好な性能が得られるものが開示されている（特開２０１３−２４３６５８号公報「水晶導波管フィルタ及びデュプレクサ」、日本電波工業株式会社、特許文献１）。

［従来の水晶導波管フィルタの構成：図７］
特許文献１に示された従来の水晶導波管フィルタ（「従来の導波管フィルタ」とする）について図７を使って説明する。図７は、従来の水晶導波管フィルタの構成を示す説明図であり、（ａ）は斜視図、（ｂ）は断面の模式説明図、（ｃ）は金属パターンの平面図である。
従来の導波管フィルタ１は、所望の周波数を通過させる帯域通過フィルタ（ＢＰＦ：Band Pass Filter）であり、図７（ａ）に示すように、主として、矩形導波管内部の半分を満たす水晶（誘電体）部１１と、残りの半分を占める空間（空気）である空洞部（空気部）１２とから成る。

水晶部１１において、空洞部１２に接する側面は、導波管の電界（Ｅ）に平行な面（Ｅ面）となっており、この面に金属パターン１３が形成されている。
また、水晶部１１と空洞部１２とは同一形状且つ同一寸法となるよう構成されている。つまり、従来の導波管フィルタは、導波管内部がＥ面に平行な面で長手方向に水晶部１１と空洞部１２とに２分割された構成となっている。
また、図示は省略するが、水晶部１１のパターン面以外の３つの長面には、導体膜が形成されている。

図７（ａ）（ｂ）に示すように、ここでは、導波管フィルタの長辺の端部に形成される端面の寸法を、縦（電界方向）０．６mm、横（磁界方向）１．２mmとしている。水晶部１１及び空洞部１２の幅はいずれも０．６mmである。
また、水晶部１１の比誘電率（Er）を４．５としている。

図７（ｃ）に示すように、金属パターン１３は、スロット線路１５と、入力ポート１６と、出力ポート１７とが形成されている。
スロット線路は、幅が０．１４mmであり、スロットの長さに応じて特定の共振周波数を通過させる。
入力ポート１６及び出力ポート１７は、コプレナ線路で形成されている。

［従来の水晶導波管フィルタの構造：図８］
次に、従来の水晶導波管フィルタの具体的な構造について図８を用いて説明する。図８は、従来の水晶導波管フィルタの構造を示す説明図である。
従来の水晶導波管フィルタは、図８（ａ）に示す水晶部１１と、（ｂ）に示す基板２１及び導体壁２４とを組み合わせて形成されている。

図８（ｂ）に示すように、基板２１は、アルミナ等で形成され、上面に搭載される水晶部１１と外部とを接続する電極２２，２３を備えている。電極２２，２３は、基板を貫通して裏面から側面に引き出されている。
また、導体壁２４は、２面の導体面をＬ字に組み合わせた形状であり、図７に示した従来の導波管フィルタの空洞部１２側の壁面を構成するものである。

そして、図８（ｃ）に示すように、基板２１上に水晶部１１と導体壁２４とを搭載して、水晶部１１と空洞部１２とを備えた従来の導波管フィルタが形成される。
水晶部１１の入力ポート１６、出力ポート１７は、基板２１の電極２２，２３にそれぞれ接続されている。

［従来の水晶導波管フィルタの特性：図９］
図９は、従来の水晶導波管フィルタの特性の一例を示す特性図である。
図９では、実線が通過特性、破線が反射特性を示しており、良好な特性が得られている。

特開２０１３−２４３６５８号公報

しかしながら、特許文献１に示される従来の水晶導波管フィルタでは、空洞部１２を形成するために、Ｌ字型に組み合わせた導体壁を設けなければならず、構成が複雑で組み立て工程が煩雑であるという問題点があった。

尚、特許文献１には、導体壁を設けずに、水晶部とそれに隣接する空気部とから成る導波管フィルタを形成することは記載されていない。

本発明は上記実状に鑑みて為されたもので、簡易な構成で組み立てが容易であり、コストを低減でき、良好な特性が得られる水晶導波管フィルタを提供することを目的とする。

上記従来例の問題点を解決するための本発明は、特定の周波数帯域を通過させる水晶導波管フィルタであって、方形の２つの端面と４つの長面とを備えた直方体の水晶基材から成る水晶部と、導体壁で囲まれ、水晶部に隣接した空気部とを備え、水晶部の、空気部に接し電界と平行な長面に、スロット線路と、入力ポートと、出力ポートのパターンが形成された水晶導波管フィルタを基準の構成として、基準の構成から空気部を囲む導体壁が取り除かれ、スロット線路の幅又は／及び前記水晶部の端面の大きさが、共振周波数及び負荷Ｑ値が低下しないよう調整されることを特徴としている。

また、本発明は、スロット線路の幅が基準の構成より大きく形成されていることを特徴としている。

また、本発明は、水晶部の端面の大きさが基準の構成より小さく形成されていることを特徴としている。

また、本発明は、スロット線路の幅が基準の構成より大きく形成されると共に、水晶部の端面の大きさが前記基準の構成より小さく形成されていることを特徴としている。

また、本発明は、水晶部の入力ポートと出力ポートは、コプレナ線路で形成されていることを特徴としている。

本発明によれば、特定の周波数帯域を通過させる水晶導波管フィルタであって、方形の２つの端面と４つの長面とを備えた直方体の水晶基材から成る水晶部と、導体壁で囲まれ、水晶部に隣接した空気部とを備え、水晶部の、空気部に接し電界と平行な長面に、スロット線路と、入力ポートと、出力ポートのパターンが形成された水晶導波管フィルタを基準の構成として、基準の構成から空気部を囲む導体壁が取り除かれ、スロット線路の幅又は／及び前記水晶部の端面の大きさが、共振周波数及び負荷Ｑ値が低下しないよう調整される水晶導波管フィルタとしているので、導体壁のない簡易な構成で組み立てが容易であり、コストを低減でき、良好な特性を得ることができる効果がある。

本発明の実施の形態に係る水晶導波管フィルタの理論上の構成を示す斜視図である。 空気部３２の端面の長さＬと共振周波数及び負荷Ｑ値との関係を示す説明図である。 スロット線路の幅Ｗと共振周波数及び負荷Ｑ値との関係を示す説明図である。 水晶部３１の寸法Ｍと共振周波数及び負荷Ｑ値との関係を示す特性図である。 スロット線路の長さＳと共振周波数及び負荷Ｑ値との関係を示す説明図である。 本導波管フィルタの特性例を示す特性図である。 従来の水晶導波管フィルタの構成を示す説明図である。 従来の水晶導波管フィルタの構造を示す説明図である。 従来の水晶導波管フィルタの特性例を示す特性図である。

本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。
［実施の形態の概要］
本発明の実施の形態に係る水晶導波管フィルタは、図７，図８に示した同寸法の水晶部と空洞部とを備えた従来の水晶導波管フィルタを基準の構成（基準型）として、基準型から空洞部を囲む導体壁を取り除いた構成であり、スロット線路の幅を基準型より大きくし、水晶部の端面の寸法を基準型より小さくして、それぞれ最適化することにより、フィルタ特性を劣化させないよう調整するものであり、導体壁を設けない簡易な構成で良好な特性が得られるものである。

［本実施の形態に係る水晶導波管フィルタの構成：図１］
本発明の実施の形態に係る水晶導波管フィルタの構成について図１を用いて説明する。図１は、本発明の実施の形態に係る水晶導波管フィルタの理論上の構成を示す斜視図である。
図１に示すように、本発明の実施の形態に係る水晶導波管フィルタ（本導波管フィルタ）は、図７に示した従来の水晶導波管フィルタと同様に、水晶部３１と、水晶部３１に接する空洞部（空気部）３２とを備えている。以下、図７に示した従来の導波管フィルタを「基準型」と称する。

但し、本導波管フィルタの特徴として、空気部３２の壁面を形成する導体壁が設けられていない点が基準型とは異なっている。つまり、空気部３２の端面の大きさは導体壁によって限定されていない。図１では、空気部３２の形状を仮想的に示しているが、実際には、水晶部３１は開放空間に接しているものである。
しかしながら、開放空間の内の水晶部３１に接する空気層は、信号を伝搬する本導波管フィルタの一部として機能するため、この空気層を空気部３２と称するものとする。

そして、基準型と同様に、水晶部３１のＥ面に、金属パターン３３が形成され、スロット線路と、コプレナ線路で形成された入力ポート３６及び出力ポート３７が設けられている。尚、図では水晶部３１が搭載される基板は省略している。
このような構成とすることにより、本水晶導波管フィルタは、導体壁を不要として構成及び組み立て工程を簡易にし、コストを低減することができるものである。

［空気部３３の大きさと導波管フィルタの特性：図２］
まず、空気部３２の大きさと導波管フィルタの特性との関係についてのシミュレーション結果を示す。シミュレーションのモデル及び結果について図２を用いて説明する。図２は、空気部３２の端面の長さＬと共振周波数及び負荷Ｑ値との関係を示す説明図である。尚、ここでは、最低次の共振周波数（ｆ0）に着目して検討した。
図２（ａ）にシミュレーションを行ったモデルを示す。図２（ａ）に示すように、水晶部３１の端面の一辺の長さを０．６mmとして、空気部３２の端面の一辺の長さＬを変えて、共振周波数及び負荷Ｑ値（Ｑl値）を計算した。

図２（ｂ）に、Ｌ（mm）とそれに対応する共振周波数ｆ0（GHz）及びＱl値の計算結果を示す。また、図２（ｃ）に、Ｌに対する各特性をグラフに表す。
図２（ｂ）（ｃ）から分かるように、空気部３２の一辺（Ｌ）を大きくすると、共振周波数ｆ0と負荷Ｑ値は低下する。

Ｌ＝０．６mmの場合が基準型であり、共振周波数が６０．６GHz、負荷Ｑ値が４８．１である。
Ｌが誘電体（水晶部３１）の寸法の２倍の長さ（１．２mm）程度までは、共振周波数、負荷Ｑ値共に急激に低下しており、Ｌの寸法が特性に与える影響が大きい。
しかし、Ｌがそれより大きくなると、共振周波数は低下量が減少して傾きが緩やかになり、負荷Ｑ値はほぼ平坦となっている。例えば、図２（ｂ）に示すように、Ｌが誘電体の寸法の３倍である１．８mmの場合と、５倍である３．０mmの場合とを比較すると、両者の差は小さい。
すなわち、誘電体の寸法に対して、空気部３２の寸法をある程度以上大きくすると、導体壁の影響が小さくなることがわかる。

［共振周波数と負荷Ｑ値の向上］
図２（ｂ）（ｃ）に示したように、導体壁を取り除いた場合には、導体壁によって空気部の大きさが限定されている場合と比較すると、共振周波数及び負荷Ｑ値が低下する。
そこで、導体壁を設けない構造でも共振周波数と負荷Ｑ値を低下させないように、各種の条件を調整することが必要である。
本実施の形態では、スロット線路の幅、水晶部の一辺の長さ、スロット線路の長さを変えて特性を計算した。

［スロット線路の幅と導波管フィルタの特性：図３］
まず、水晶部３１に形成される金属パターン１３のスロット線路の幅Ｗを調整した場合のシミュレーション結果について図３を用いて説明する。図３は、スロット線路の幅Ｗと共振周波数及び負荷Ｑ値との関係を示す説明図である。
図３（ａ）に示すように、ここでは、水晶部３１に形成される金属パターンの幅を０．６mm、スロット線路の幅（パターン開口部）をＷとして、共振周波数及び負荷Ｑ値を計算した。

図３（ｂ）に、スロット線路の幅Ｗ（mm）に応じた共振周波数（ｆ0）及び負荷Ｑ値（Ｑl）を示し、図３（ｃ）にグラフを示す。
図３（ｂ）（ｃ）に示すように、Ｗ＝０．１mmの場合には、ｆ0＝５７．２GHz、Ｑl＝３４．２となり、基準型（ｆ0＝６０．６GHz、Ｑl＝４８．１）に比べて共振周波数及び負荷Ｑ値は小さいが、Ｗを大きくすると共振周波数及び負荷Ｑ値も大きくなり、Ｗ＝０．１８mmとした場合には、図２に示した基準型より共振周波数及び負荷Ｑ値は高くなる。
すなわち、スロット線路の幅Ｗを大きくすることにより、共振周波数及び負荷Ｑ値を高くする（低下させない）ことができるものである。

［水晶部の寸法と導波管フィルタの特性：図４］
次に、水晶部３１の寸法を調整した場合のシミュレーション結果について図４を用いて説明する。図４は、水晶部３１の寸法Ｍと共振周波数及び負荷Ｑ値との関係を示す特性図である。
図４（ａ）に示すように、ここでは、モデルとして、空気部３２の端面の一辺の長さを０．６mmとし、水晶部３１の端面の一辺の長さをＭとして共振周波数及び負荷Ｑ値を求めた。

図４（ｂ）に、水晶部３１の一辺の長さＭ（mm）に応じた共振周波数ｆ0及び負荷Ｑ値Ｑlを示し、図４（ｃ）にグラフを示す。
図４（ｂ）（ｃ）に示すように、基準型となるＭ＝０．６mmの場合には、ｆ0＝６０．６GHz、Ｑl＝４８．１であり、Ｍを小さくすると、それに伴ってｆ0及びＱlの値は高くなる。
Ｍ＝０．４mmの場合には、ｆ0＝８０．６GHz、Ｑl＝９９．５となる。
つまり、空気部３２の大きさが等しければ、水晶部３１の端面の寸法（大きさ、径）が小さいほどｆ0及びＱlの値を高くすることが可能となる。

［スロット線路の長さと導波管フィルタの特性：図５］
次に、スロット線路の長さを調整した場合のシミュレーション結果について図５を用いて説明する。図５は、スロット線路の長さＳと共振周波数及び負荷Ｑ値との関係を示す説明図である。
図５（ａ）に示すように、スロット線路の長さをＳとして、ｆ0及びＱl値を求めた。
図５（ｂ）に、スロット線路の長さＳ（mm）に応じた共振周波数ｆ0及び負荷Ｑ値Ｑlを示し、図５（ｃ）にグラフを示す。
図５（ｂ）（ｃ）に示すように、スロット線路の長さＳを短くすると、ｆ0は高くなるが、Ｑlが大幅に低下してしまうため、スロット線路の長さを短くすることは現実的ではない。

［各種条件の最適化］
上述したシミュレーションによれば、導体壁を設けない導波管フィルタにおいても、基準型と比べてスロット線路３３の幅Ｗを大きくし、水晶部３１の一辺の長さＭを短くすることにより、共振周波数及び負荷Ｑ値の低下を防ぐことができるものである。
すなわち、本導波管フィルタでは、スロット線路３３の幅Ｗ及び水晶部３１の一辺の長さＭを調整して、最適な共振周波数及び負荷Ｑ値が得られるＷとＭの組み合わせを決定する。
これにより、基準型の水晶導波管フィルタから、空気部３２を囲む導体壁を取り除いた構成としても、スロット線路３３の幅Ｗ及び水晶部３１の端面の大きさを最適化することにより、良好な特性とすることができるものである。

［本水晶導波管フィルタの特性：図６］
次に、本導波管フィルタの特性例について図６を用いて説明する。図６は、本導波管フィルタの特性例を示す特性図であり、実線は通過特性、破線は反射特性を示している。
図６に示すように、本導波管フィルタの特性は図９に示した従来の導波管フィルタの特性と同程度となっており、良好な特性が得られていることが分かる。

［実施の形態の効果］
本発明の実施の形態に係る水晶導波管フィルタによれば、水晶部３１と空気部３２とが隣接して配置され、水晶部３１のＥ面に、スロット線路と、入力ポート３６と、出力ポート３７とを備えた金属パターン３３が形成された水晶導波管フィルタを基準の構成（基準型）として、基準型から空気部３２を囲む導体壁を取り除き、基準型と比較して、スロット線路の幅を大きくすると共に、水晶部３１の端面の大きさを小さくして、共振周波数及び負荷Ｑ値の低下を防ぐようスロット線路の幅と水晶部３１の端面の大きさが調整されるものであり、簡易な構成で組み立てを容易にし、コストを低減でき、スロット線路の幅と水晶部３１の端面の大きさが最適化されることによって、良好な特性を実現することができる効果がある。

本発明は、簡易な構成で組み立てが容易であり、コストを低減でき、良好な特性が得られる水晶導波管フィルタに適している。

１...導波管フィルタ、 １１，３１...水晶部、 １２...空洞部（空気部）、 １３，３３...金属パターン、 １５...スロット線路、 １６，３６...入力ポート、 １７，３７...出力ポート、 ２１...基板、 ２２，２３...電極、 ２４...導体壁、 ３２...空気部

Claims (5)

1. 特定の周波数帯域を通過させる水晶導波管フィルタであって、
   方形の２つの端面と４つの長面とを備えた直方体の水晶基材から成る水晶部と、導体壁で囲まれ、前記水晶部に隣接した空気部とを備え、前記水晶部の、前記空気部に接し電界と平行な長面に、スロット線路と、入力ポートと、出力ポートのパターンが形成された水晶導波管フィルタを基準の構成として、
   前記基準の構成から前記空気部を囲む導体壁が取り除かれ、
   前記スロット線路の幅又は／及び前記水晶部の端面の大きさが、共振周波数及び負荷Ｑ値が低下しないよう調整されることを特徴とする水晶導波管フィルタ。
2. スロット線路の幅が基準の構成より大きく形成されていることを特徴とする請求項１記載の水晶導波管フィルタ。
3. 水晶部の端面の大きさが基準の構成より小さく形成されていることを特徴とする請求項１記載の水晶導波管フィルタ。
4. スロット線路の幅が基準の構成より大きく形成されると共に、水晶部の端面の大きさが前記基準の構成より小さく形成されていることを特徴とする請求項１記載の水晶導波管フィルタ。
5. 水晶部の入力ポートと出力ポートは、コプレナ線路で形成されていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか記載の水晶導波管フィルタ。

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