JP2020005223A - 誘電体導波管フィルタ - Google Patents

Abstract

【課題】折り返し構造でありながら、奇数段の誘電体導波管共振器を備える誘電体導波管フィルタを構成する。また、誘電体導波管フィルタの設計上の自由度を高めて、フィルタ特性及びサイズを容易に最適化できるようにする。【解決手段】誘電体導波管フィルタ１０１は、信号伝搬の主結合路に沿って配置された誘電体導波管共振器１１Ａ〜１１Ｇと、誘電体導波管共振器１１Ａ〜１１Ｇのうち主結合路に沿って隣接する誘電体導波管共振器同士の間にそれぞれ設けられた主結合部と、を備える。誘電体導波管共振器１１Ａ〜１１Ｇそれぞれは、直方体形状であり、ＴＥ１０１モードで共振する。誘電体導波管共振器１１Ａ〜１１Ｇは、主結合路の途中の折り返し部ＦＰで折り返されて２つの誘電体導波管共振器列２１，２２に配置され、折り返し部ＦＰの誘電体導波管共振器１１Ｄの、主結合路に沿った幅は２つの誘電体導波管共振器列２１，２２の幅Ｗ１４に対応する。【選択図】図１

Description

本発明は、複数の誘電体導波管共振器を有する誘電体導波管フィルタに関する。

複数の誘電体導波管共振器を有する誘電体導波管フィルタは例えばSHF帯（マイクロ波帯）の帯域通過フィルタとして用いられる。このような誘電体導波管フィルタが備える誘電体導波管共振器の基本構造は直方体形状の誘電体の外面に導体膜が形成されたものである。複数の誘電体導波管共振器が順次結合する、複数段の共振器からなる誘電体導波管フィルタについては例えば特許文献１に開示されている。

図１７は特許文献１に示された誘電体導波管フィルタの斜視図である。ただし、図中の符号は変更している。図１７において、誘電体導波管フィルタ１００は、回路基板９０と、この回路基板９０に実装された２つの誘電体導波管共振器列２１，２２とで構成される。誘電体導波管共振器列２１は４つの誘電体導波管共振器１１Ａ，１１Ｂ，１１Ｃ，１１Ｄを備えていて、誘電体導波管共振器列２２は４つの誘電体導波管共振器１１Ｅ，１１Ｆ，１１Ｇ，１１Ｈを備えている。誘電体導波管共振器１１Ａ，１１Ｈは入出力段の共振器であり、誘電体導波管共振器１１Ｄと誘電体導波管共振器１１Ｅとは隣接部分で結合するように構成されている。

このように、直列配置された複数の誘電体導波管共振器を２列並置することで、多数の誘電体導波管共振器を備えながらも設置面積を縮小化した誘電体導波管フィルタが得られる。

国際公開第２０１８／０１２２９４号

複数段の誘電体導波管共振器から構成される誘電体導波管フィルタは、隣接する誘電体導波管共振器同士が結合して、主結合路を構成する。特許文献１に示されるような、直列配置された複数の誘電体導波管共振器が２列並置された誘電体導波管フィルタは、上記主結合路がその中央で折り返された構造（折り返し構造）であるといえる。

誘電体導波管フィルタが備える誘電体導波管共振器（以下、単に「共振器」）の段数は、誘電体導波管フィルタに要求されるフィルタ特性に応じて定められる。一般に、共振器の段数を多くするほど、減衰特性は良好になるが、全体のサイズが大きくなり、通過帯域内の挿入損失は大きくなる。

しかし、図１７に示したように、外部との間で信号を入出力する入出力部を有する２つの誘電体導波管共振器（１１Ａ，１１Ｈ）が列の幅方向に隣接配置する構造であると、誘電体導波管共振器の総数は偶数に制約される。そのため、フィルタ特性及びサイズを考慮して奇数個の共振器で誘電体導波管フィルタを構成しようとしても、図１７に示したような従来構造では困難であった。

そこで、本発明の目的は、折り返し構造でありながら、奇数段の誘電体導波管共振器を備える誘電体導波管フィルタを提供することにある。また、本発明の目的は、誘電体導波管フィルタの設計上の自由度を高めて、フィルタ特性及びサイズを容易に最適化でき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。

本開示の一例としての誘電体導波管フィルタは、信号伝搬の主結合路に沿って配置された３以上の複数の誘電体導波管共振器と、これら複数の誘電体導波管共振器のうち主結合路に沿って隣接する誘電体導波管共振器同士の間にそれぞれ設けられた複数の主結合部と、を備える。そして、複数の誘電体導波管共振器それぞれは、直方体形状であり、ＴＥ１０１モードで共振し、主結合路は途中の折り返し部で折り返されており、複数の誘電体導波管共振器のうちの折り返し部の誘電体導波管共振器を除く他の誘電体導波管共振器は、２つの列に配置され、折り返し部の誘電体導波管共振器の主結合路に沿った幅は２つの列の幅に対応する。

上記構成の誘電体導波管フィルタによれば、入出力部を有する２つの誘電体導波管共振器が列の幅方向に隣接しながらも、奇数個の誘電体導波管共振器を備える誘電体導波管フィルタが得られる。

本発明によれば、折り返し構造でありながら、奇数段の誘電体導波管共振器を備える誘電体導波管フィルタが構成できる。また、誘電体導波管フィルタの設計上の自由度が高まり、フィルタ特性及びサイズを容易に最適化できる。

図１は第１の実施形態に係る誘電体導波管フィルタ１０１の外観斜視図である。 図２は誘電体導波管フィルタ１０１の構成要素である誘電体導波管共振器列の外観斜視図である。 図３は誘電体導波管フィルタ１０１の下面図である。 図４は誘電体導波管フィルタ１０１を実装する回路基板９０の平面図である。 図５は誘電体導波管フィルタ１０１の各共振器の結合関係を示す図である。 図６は本実施形態の誘電体導波管フィルタ１０１と比較例の誘電体導波管フィルタについて、透過係数の周波数特性を示す図である。 図７（Ａ）、図７（Ｂ）、図７（Ｃ）、図７（Ｄ）は、共振器１１Ｄの中央付近に設ける周波数調整用電極の幾つかの例を示す図である。 図８（Ａ），図８（Ｂ），図８（Ｃ），図８（Ｄ），図８（Ｅ）は、結合窓形成用溝の幾つかの形状の例を示す平面図である。 図９は、溝幅に対する結合共振器間の無負荷Ｑ（Ｑｕ）の関係を示す図である。 図１０は第２の実施形態に係る誘電体導波管フィルタ１０２の外観斜視図である。 図１１は誘電体導波管フィルタ１０２の構成要素である誘電体導波管共振器列の外観斜視図である。 図１２は第３の実施形態に係る誘電体導波管フィルタ１０３の外観斜視図である。 図１３は第４の実施形態に係る誘電体導波管フィルタ１０４の外観斜視図である。 図１４は携帯電話基地局のブロック図である。 図１５は直方体導波管共振器の辺の長さと各共振モードの共振周波数との関係を説明するための図である。 図１６は第１比較例の誘電体導波管フィルタの外観斜視図である。 図１７は特許文献１に示された誘電体導波管フィルタの斜視図である。

以降、図を参照して幾つかの具体的な例を挙げて、本発明を実施するための複数の形態を示す。各図中には同一箇所に同一符号を付している。要点の説明又は理解の容易性を考慮して、実施形態を説明の便宜上分けて示すが、異なる実施形態で示した構成の部分的な置換又は組み合わせは可能である。第２の実施形態以降では第１の実施形態と共通の事柄についての記述を省略し、異なる点についてのみ説明する。特に、同様の構成による同様の作用効果については実施形態毎には逐次言及しない。

《第１の実施形態》
図１は第１の実施形態に係る誘電体導波管フィルタ１０１の外観斜視図である。図２は誘電体導波管フィルタ１０１の構成要素である誘電体導波管共振器列の外観斜視図である。図３は誘電体導波管フィルタ１０１の下面図である。さらに、図４は誘電体導波管フィルタ１０１を実装する回路基板９０の平面図である。

図１、図２に示すように、誘電体導波管共振器列２１，２２は、それぞれ直方体状の誘電体ブロック１に構成されている。誘電体ブロック１は、例えば誘電体セラミック、水晶、樹脂等を直方体形状に加工したものである。誘電体ブロック１の底面には入出力電極２７が形成されている。

誘電体導波管共振器列２１には、誘電体導波管共振器１１Ａ，１１Ｂ，１１Ｃ、及び誘電体導波管共振器部１１Ｄ１が形成されている。また、誘電体導波管共振器列２２には、誘電体導波管共振器１１Ｅ，１１Ｆ，１１Ｇ、及び誘電体導波管共振器部１１Ｄ２が形成されている。後に詳述するとおり、誘電体導波管共振器部１１Ｄ１，１１Ｄ２は、この二つの誘電体導波管共振器部１１Ｄ１，１１Ｄ２で一つの誘電体導波管共振器を構成するので、ここでは「誘電体導波管共振器部」という。なお、以降、誘電体導波管共振器を単に「共振器」、誘電体導波管共振器部を単に「共振器部」、という。

共振器１１Ａと共振器１１Ｂとの間には、主結合部の結合窓を形成するための溝Ｇ１２が形成されている。また、共振器１１Ｂと共振器１１Ｃとの間には、主結合部の結合窓を形成するための溝Ｇ２３が形成されている。同様に、共振器１１Ｃと共振器部１１Ｄ１との間には、主結合部の結合窓を形成するための溝Ｇ３４が形成されている。

図２に示すように、溝Ｇ１２，Ｇ２３，Ｇ３４の内面を含む誘電体ブロック１の外面の大部分には、グランド電極２３が形成されている。入出力電極２７の周囲はグランド電極２３から分離されている。また、共振器１１Ａの入出力電極２７の端部の近傍の側面には導体開口部４３が形成されている。共振器１１Ｃの一方の側面には導体開口部４２が形成されている。また、共振器部１１Ｄ１の一方の側面には導体開口部４１が形成されている。さらに、この共振器部１１Ｄ１の一方の側面には周波数調整用電極４０が形成されている。

誘電体導波管共振器列２２の基本的な構造は誘電体導波管共振器列２１と同じである。共振器部１１Ｄ２と共振器１１Ｅとの間には、主結合部の結合窓を形成するための溝Ｇ４５が形成されている。また、共振器１１Ｅと共振器１１Ｆとの間には、主結合部の結合窓を形成するための溝Ｇ５６が形成されている。そして、共振器１１Ｆと共振器１１Ｇとの間には、主結合部の結合窓を形成するための溝Ｇ６７が形成されている。そして、溝Ｇ４５，Ｇ５６，Ｇ６７の内面を含む誘電体ブロック１の外面の大部分には、グランド電極２３が形成されている。入出力電極２７の周囲はグランド電極２３から分離されている。また、共振器１１Ｇの入出力電極２７の端部の近傍の側面には導体開口部４３が形成されている。共振器１１Ｅの一方の側面には導体開口部４２が形成されている。また、共振器部１１Ｄ２の一方の側面には導体開口部４１が形成されている。さらに、この共振器部１１Ｄ２の一方の側面には周波数調整用電極４０が形成されている。つまり、共振器部１１Ｄ１の一方の側面に形成された周波数調整用電極４０と、共振器部１１Ｄ２の一方の側面に形成された周波数調整用電極４０とは対向している。

上記グランド電極２３、入出力電極２７及び周波数調整用電極４０等の導体膜は、例えばＡｇ電極形成用ペーストを誘電体ブロック１にスクリーン印刷した後、メタライズした膜である。

図２に示した二つの誘電体導波管共振器列２１，２２を後に示す回路基板上に表面実装するとともに、誘電体導波管共振器列２１，２２の側面同士を接合することで、図１に示した誘電体導波管フィルタ１０１が構成される。誘電体導波管共振器列２１，２２の側面同士は例えばAg電極形成用ペーストを用いて接合される。

図１に示した座標のとりかたで、各共振器の共振モードをTExzy で表すと、図１、図２に示した共振器１１Ａ，１１Ｂ，１１Ｃ，１１Ｅ，１１Ｆ，１１ＧはいずれもＴＥ１０１モードを基本共振モードとする共振器である。つまり、Ｚ方向を電界方向とし、Ｘ−Ｙ面に沿った面方向に磁界が回る電磁界分布の共振モードであり、Ｘ方向に電界強度のピークが一つ、Ｙ方向に電界強度のピークが一つ生じる。図１に示すように、例えば共振器１１Ｃは、Ｘ軸方向の幅Ｗ１３、Ｙ軸方向の長さＬ１３の誘電体導波管共振器として作用する。

共振器部１１Ｄ１，１１Ｄ２は、互いの側面同士が対向することで、一つのキャビティを有する共振器１１Ｄを構成する。図１に示すように、この一つのキャビティは、Ｘ軸方向の幅Ｗ１４、Ｙ軸方向の長さＬ１４の誘電体導波管共振器として作用する。周波数調整用電極４０は、一つのキャビティの平面視での中央部に、グランド電極からキャビティ内に突出するので、共振器１１Ｄの共振周波数調整用の導体として作用する。この共振器１１Ｄの寸法と共振周波数との関係については後に述べる。

溝Ｇ１２の内面に形成されたグランド電極は、共振器１１Ａと共振器１１Ｂとの間の結合窓として作用する。また、溝Ｇ２３の内面に形成されたグランド電極は、共振器１１Ｂと共振器１１Ｃとの間の結合窓として作用する。同様に、溝Ｇ３４の内面に形成されたグランド電極は、共振器１１Ｃと共振器１１Ｄとの間の結合窓として作用する。また、溝Ｇ４５の内面に形成されたグランド電極は、共振器１１Ｄと共振器１１Ｅとの間の結合窓として作用する。また、溝Ｇ５６の内面に形成されたグランド電極は、共振器１１Ｅと共振器１１Ｆとの間の結合窓として作用する。さらに、溝Ｇ６７の内面に形成されたグランド電極は、共振器１１Ｆと共振器１１Ｇとの間の結合窓として作用する。

上記各結合窓は、各共振器１１Ａ〜１１Ｇの電界方向に直交する導体の幅（Ｘ方向の幅）を制限するので、誘導性結合窓として作用する。

図１に示した導体開口部４２は共振器１１Ｃと共振器１１Ｅとの間に設けられていて、この導体開口部４２は、共振器１１Ｃ，１１Ｅの電界方向に直交する導体の幅（Ｙ方向の幅）を制限するので、共振器１１Ｃと共振器１１Ｅとの誘導性結合窓として作用する。

具体的には、二つの共振器による共振系において、周波数が低い順にＴＥ１０１、ＴＥ１０２、ＴＥ１０３・・・、といった伝搬モードＴＥ１０に関する共振モードが存在する。このうち、ＴＥ１０１モードとＴＥ１０２モードとが上記結合窓を介して結合する。ＴＥ１０１モードは二つの共振器間で同相関係にあり、共振モードＴＥ１０２は二つの共振器間で逆相関係にあるので、このＴＥ１０１モード（同相）とＴＥ１０２モード（逆相）との結合によって、二つの共振器は誘導性結合する。

以上に示したように、誘電体導波管フィルタ１０１は、７個の共振器１１Ａ〜１１Ｇは、互いに隣接する共振器同士が結合して、主結合路を構成し、主結合路の途中の折り返し部ＦＰ（図１）で折り返された構造である。

図３に表れているように、入出力電極２７の外側端部２７ａは、導体開口部４３（図１参照）の稜線と、誘電体導波管フィルタの下面（実装面）とにより形成される角、又は、この稜線からわずかに内側に入った位置を起点としている。入出力電極２７は、外側端部２７ａから共振器１１Ａの中心方向である内側端部２７ｂまで延びるように形成されている。

入出力電極２７とグランド電極２３との間には、導体膜が形成されずに誘電体ブロックの誘電体が露出する第１ギャップ部２５ａ及び第２ギャップ部２５ｂが設けられている。

第１ギャップ部２５ａ及び第２ギャップ部２５ｂのそれぞれは、入出力電極２７の外側端部２７ａから内側端部２７ｂに沿って形成され、さらに、グランド電極２３の一部に切れ込むように形成されている。第１ギャップ部２５ａ及び第２ギャップ部２５ｂに挟まれたギャップ間のグランド電極２３ａは、長方形状であり、入出力電極２７よりも幅が広い。具体的には、ギャップ間のグランド電極２３ａは、長方形形状をした角部が入出力電極２７の内側端部２７ｂに接続され、角部から長方形形状の中心に向かって、幅が徐々に広がっている。

ここで、第１ギャップ部２５ａ及び第２ギャップ部２５ｂに挟まれた領域に存在する入出力電極２７及びギャップ間のグランド電極２３ａによってモード変換部２６が構成されている。誘電体導波管フィルタ１０１は、このモード変換部２６にて、伝送信号がＴＥＭモードからＴＥモードに変換され、又はＴＥモードからＴＥＭモードに変換される。

回路基板９０は、Ｑ値が高い有機材料を含む。回路基板９０の基材は有機材料に限られずセラミック材料により形成されていてもよい。一対の入出力パターン３７、グランド導体３３及びビア導体３８は、Ｃｕを主成分とする導体材料を含む。

回路基板９０は、一方主面に形成された入出力パターン３７と、入出力パターン３７を囲むグランド導体３３とにより構成されるコプレーナ伝送路を有する。また、回路基板９０は、誘電体導波管フィルタ１０１の実装面とは反対面にもグランド導体を有している。実装面のグランド導体３３と反対面のグランド導体とは、複数のビア導体３８により接続されている。

一対の入出力パターン３７は、誘電体導波管フィルタ１０１の入出力電極２７に対応する形状を有している。すなわち、一対の入出力パターン３７は、幅が一定であり、長手方向の一部分で屈曲している。一対の入出力パターン３７は、誘電体導波管フィルタ１０１が実装される実装領域ＭＡの中心から見て外側に位置する外側端部３７ａと、外側端部３７ａよりも内側に位置する内側端部３７ｂとを有している。外側端部３７ａは外部機器と接続される伝送線路３９に繋がっており、内側端部３７ｂはグランド導体３３に接続されている。入出力パターン３７の長さは、例えば、誘電体導波管フィルタ１０１の使用周波数において、０．１波長程度である。

第１ギャップ部３５ａ及び第２ギャップ部３５ｂに挟まれた領域に存在する入出力パターン３７及びギャップ間のグランドパターン３３ａには、誘電体導波管フィルタ１０１のモード変換部２６の電極が接続される。

図５は誘電体導波管フィルタ１０１の各共振器の結合関係を示す図である。共振器１１Ａと共振器１１Ｂとは主結合部ＭＣ１２を介して結合し、共振器１１Ｂと共振器１１Ｃとは主結合部ＭＣ２３を介して結合する。また、共振器１１Ｃと共振器１１Ｄとは主結合部ＭＣ３４を介して結合し、共振器１１Ｄと共振器１１Ｅとは主結合部ＭＣ４５を介して結合する。さらに、共振器１１Ｅと共振器１１Ｆとは主結合部ＭＣ５６を介して結合し、共振器１１Ｆと共振器１１Ｇとは主結合部ＭＣ６７を介して結合する。そして、共振器１１Ｃと共振器１１Ｅとは副結合部ＳＣ３５を介して結合する。

主結合部ＭＣ１２は、上記溝Ｇ１２内のグランド電極による結合窓に相当し、主結合部ＭＣ２３は、上記溝Ｇ２３内のグランド電極による結合窓に相当し、主結合部ＭＣ３４は、上記溝Ｇ３４内のグランド電極による結合窓に相当する。また、主結合部ＭＣ４５は、上記溝Ｇ４５内のグランド電極による結合窓に相当し、主結合部ＭＣ５６は、上記溝Ｇ５６内のグランド電極による結合窓に相当し、主結合部ＭＣ６７、上記溝Ｇ６７内のグランド電極による結合窓に相当する。副結合部ＳＣ３５は上記導体開口部４２による結合窓に相当する。

このように、共振器１１Ｃ−１１Ｄ−１１Ｅによる主結合路において、共振器１１Ｃ−１１Ｅの副結合路が形成されている。つまり、この副結合路によって、共振器１１Ｃと共振器１１Ｅとを、共振器１１Ｄを飛び越して結合させる。そして、通過帯域の高周波数側で、共振器１１Ｃ−１１Ｄ−１１Ｅによる主結合路に対して、共振器１１Ｃ−１１Ｅの副結合路は逆位相の関係となる。このことにより、後に示す有極特性が得られる。

図１中に示す各部の寸法は次の関係にある。

Ｗ１３＞Ｈ
Ｌ１３＞Ｈ
Ｌ１３＞Ｌ１４
２＊Ｗ１３＝Ｗ１４
ただし製造誤差を考慮すると、上記Ｗ１３とＷ１４の関係は、２＊Ｗ１３≒Ｗ１４と表すことができる。

以上に述べたように、本実施形態の誘電体導波管フィルタ１０１は、信号伝搬の主結合路に沿って配置された７個の誘電体導波管共振器と、これら誘電体導波管共振器のうち主結合路に沿って隣接する誘電体導波管共振器同士の間にそれぞれ設けられた複数の主結合部と、を備え、各誘電体導波管共振器は、直方体形状であり、ＴＥ１０１モードで共振し、７個の誘電体導波管共振器は、主結合路の途中の折り返し部ＦＰで折り返されて２つの列２１，２２に配置されている。

ここで、図１５を参照して、直方体導波管共振器の共振モードをTEm0nで表すと、その共振周波数ｆは、
ｆ＝（Ｃｏ／√εr）√｛(m / 2a)² + (n / 2b)²｝ …［１］
で表される。ここで、εrは誘電体材料の比誘電率、Ｃｏは真空中の光速、mは辺ａ方向の波数（電界強度分布の辺ａ方向に生じるピークの数）、nは辺ｂ方向の波数（電界強度分布の辺ｂ方向に生じるピークの数）である。

ａ＝２ｂであるときのＴＥ１０１モードに対するＴＥ２０１モードの共振周波数比は、
ａ＝２ｂのとき、
ｆ(TE201)／ｆ(TE101)＝√（８／５）≒１．２６
ａ＝ｂのとき、
ｆ(TE201)／ｆ(TE101)＝√（５／２）≒１．５８
である。

また、ａ＝ｂであるときの共振周波数ｆ(a=b) に対する、ａ＝２ｂであるときの共振周波数ｆ(a=2b) の比は、
TE101モードにおいて、
ｆ(a=2b)／ｆ(a=b)＝√（５／８）≒０．７９
TE201モードにおいて、
ｆ(a=2b)／ｆ(a=b)＝√（２／５）≒０．６３
である。

本実施形態の誘電体導波管フィルタ１０１が備える共振器１１Ｄの縦横比（Ｙ方向幅対Ｘ方向幅の比）は１：２以上であるため、ＴＥ１０１モードの共振周波数とＴＥ２０１モードの共振周波数とは、上記の関係から、概ね３０％以下で近接する。

ＴＥ２０１モードのような高次共振モードはフィルタのスプリアスの発生要因になり、通過帯域近傍にスプリアスが発生する可能性がある。そこで、本実施形態においては、共振器１１Ｄの中央付近に周波数調整用電極４０を設けている。この周波数調整用電極４０の端部とキャビティの上面との間に容量を形成する。この周波数調整用電極は、ＴＥ１０１モードの最も電界強度の高い位置にあるので、ＴＥ１０１モードの共振周波数が効果的に低下される。一方、ＴＥ２０１モードは共振器１１Ｄの中央付近で電界強度が最低であるので、ＴＥ２０１モード共振周波数は周波数調整用電極４０によっては殆ど変化しない。このことで、ＴＥ１０１モードの共振周波数とＴＥ２０１モードの共振周波数との比が大きくなる。言い換えると、ＴＥ１０１モードの共振周波数が低下する分、共振器１１Ｄの寸法を小さくしてＴＥ１０１モードの共振周波数を高めることで、ＴＥ２０１モードの共振周波数はＴＥ１０１モードの共振周波数より相対的に高くなって、ＴＥ２０１モードによる影響を受けにくくなる。つまり、ＴＥ２０１モードによるスプリアスは通過帯域より高周波数側へ遠ざかり、ＴＥ２０１モードによるスプリアスの悪影響を受けなくなる。

図６は本実施形態の誘電体導波管フィルタ１０１と比較例の誘電体導波管フィルタについて、透過係数の周波数特性を示す図である。

図６において、Ｓ２１ａは本実施形態の誘電体導波管フィルタ１０１の特性である。Ｓ２１ｂは上記副結合部ＳＣ３５が無く、かつ共振器の段数を８段にした第１比較例としての誘電体導波管フィルタの特性である。Ｓ２１ｃは上記副結合部ＳＣ３５が無い、つまり飛び越し結合が無い第２比較例としての誘電体導波管フィルタの特性である。

図１６は上記第１比較例の誘電体導波管フィルタの外観斜視図である。この第１比較例の誘電体導波管フィルタは、誘電体導波管共振器列２１，２２は、それぞれ直方体状の誘電体ブロックに構成されている。

第１比較例の誘電体導波管フィルタの誘電体導波管共振器列２１には、共振器１１Ａ，１１Ｂ，１１Ｃ，１１Ｄが形成されている。また、誘電体導波管共振器列２２には、共振器１１Ｅ，１１Ｆ，１１Ｇ，１１Ｈが形成されている。共振器１１Ｄと共振器１１Ｅは導体開口部４４による結合窓を介して結合する。このようにして、８段の共振器による誘電体導波管フィルタが構成される。いずれも26.5GHz〜29.5GHzの通過帯域を有する。

ここで、隣接共振器間が「誘導性結合」する場合、隣接共振器間の位相は、通過域の低周波数側で同相、通過域の高周波数側で逆相となる。また、隣接共振器間が「容量性結合」する場合、隣接共振器間の位相は、通過域の低周波数側で逆相、通過域の高周波数側で同相となる。この二つの性質により、通過域より低域側又は高域側で、主結合と副結合とが逆位相の関係となって打ち消しあい、そのことで減衰極が生じる。

本実施形態の誘電体導波管フィルタ１０１では、副結合が誘導性結合、かつ、副結合によって飛び越される主経路が誘導性結合のみであるので、通過域より高周波数側に減衰極が生じる。つまり、本実施形態の誘電体導波管フィルタ１０１では、通過帯域の高周波数側である周波数ｆａで、共振器１１Ｃ−１１Ｄ−１１Ｅによる主結合路に対して、共振器１１Ｃ−１１Ｅの副結合路は逆位相の関係となる。このことにより、この周波数ｆａで減衰極が生じる。

このように、７段の共振器による誘電体導波管フィルタでありながら、１段の共振器（共振器１１Ｄ）の飛び越し結合によって、通過域より高周波数帯域での急峻な減衰特性が得られる。この通過域より高周波数帯域での減衰特性は、８段の共振器を有する第１比較例の誘電体導波管フィルタよりも急峻である。

また、本実施形態の誘電体導波管フィルタ１０１は、図１６に示した第１比較例の誘電体導波管フィルタより小型化できる。つまり、［１］式で示したように、ａ＝２ｂであるときのTE101モードの共振周波数はｆ＝（Ｃｏ／√εr）（√５）／４aであるのに対し、ａ＝ｂであるときのTE101モードの共振周波数はｆ＝（Ｃｏ／√εr）（√８）／４aである。そのため、図１に示した共振器部１１Ｄ１，１１Ｄ２の長さＬ１４は図１６に示した共振器１１Ｄの長さＬ９４より小さくできる。

なお、本実施形態では、副結合が誘導性結合、かつ、副結合によって飛び越される主経路が誘導性結合のみであるので、通過域より高周波数側に減衰極が生じるが、後の実施形態で示すように、副結合が容量性結合、かつ、副結合によって飛び越される主経路が誘導性結合のみである場合、通過域より低周波数側に減衰極が生じる。

図７（Ａ）、図７（Ｂ）、図７（Ｃ）、図７（Ｄ）は、共振器１１Ｄの中央付近に設ける周波数調整用電極の幾つかの例を示す図である。図７（Ａ）は図１に既に示した周波数調整用電極４０の正面図である。図７（Ｂ）に示す周波数調整用電極は、共振器の底部から立ち上がる周波数調整用電極４０Ｂと共振器の天部から垂れ下がる周波数調整用電極４０Ｔとで構成されている。また、図７（Ｃ）に示す周波数調整用電極は共振器の底部から立ち上がる帯状電極４０Ｗで構成されている。さらに、図７（Ｄ）に示す周波数調整用電極は、共振器の底部から立ち上がる帯状電極４０ＷＢと共振器の天部から垂れ下がる帯状電極４０ＷＴとを備える。

このように、周波数調整用電極は共振器の高さＨを狭めるような形状の電極であればよい。

図７（Ａ）、図７（Ｃ）に示したように、周波数調整用電極を共振器の天部に予め形成しない構造であると、共振器１１Ｄの天面から周波数調整用電極方向へ誘電体ブロックを穿孔し、その孔内にグランド電極を形成することで、共振器１１Ｄの共振周波数の微調整を容易に行える。

図８（Ａ），図８（Ｂ），図８（Ｃ），図８（Ｄ），図８（Ｅ）は、結合窓形成用溝の幾つかの形状の例を示す平面図である。これらは溝の奥部の丸み半径Ｒが異なる例である。溝幅はいずれも０．７１ｍｍである。図８（Ａ）はＲ＝０、図８（Ｂ）はＲ＝０．１ｍｍ、図８（Ｃ）はＲ＝０．２ｍｍ、図８（Ｄ）はＲ＝０．３５５ｍｍ（つまり溝幅の１／２）、図８（Ｅ）はＲ＝０．５ｍｍである。

図９は、溝幅に対する結合共振器間の無負荷Ｑ（Ｑｕ）の関係を示す図である。図９において横軸は、溝幅をＷ、丸み半径をＲで表すときのＲ／Ｗ比である。縦軸の結合共振器間の無負荷Ｑ（Ｑｕ）は溝によって結合する二つの共振器による共振系の無負荷Ｑである。

図９に表れているように、丸み半径Ｒは溝幅の１／６以上２／３以下程度の範囲内であれば、溝の角部への電流集中が緩和されて、損失が低下し、高い無負荷Ｑが得られることがわかる。特に、丸み半径Ｒを溝幅の１／３前後に定めれば、効果的に高い無負荷Ｑが得られることがわかる。

《第２の実施形態》
第２の実施形態では、二つのキャビティの接合によって構成される共振器部分の構成が第１の実施形態で示したものとは異なる誘電体導波管フィルタについて示す。

図１０は第２の実施形態に係る誘電体導波管フィルタ１０２の外観斜視図である。図１１は誘電体導波管フィルタ１０２の構成要素である誘電体導波管共振器列の外観斜視図である。図１０、図１１に示すように、誘電体導波管共振器列２１，２２は、それぞれ直方体状の誘電体ブロック１に構成されている。誘電体ブロック１は、例えば誘電体セラミックや水晶を直方体形状に加工したものである。誘電体ブロック１の底面には入出力電極２７が形成されている。

誘電体導波管共振器列２１には、共振器１１Ａ，１１Ｂ，１１Ｃ、及び共振器部１１Ｄ１が形成されている。また、誘電体導波管共振器列２２には、共振器１１Ｅ，１１Ｆ，１１Ｇ、及び共振器部１１Ｄ２が形成されている。

共振器部１１Ｄ１と共振器１１Ｄ２との対向面にはそれぞれ導体開口部４１が形成されている。図１に示した誘電体導波管フィルタ１０１とは異なり、この共振器部１１Ｄ１と共振器部１１Ｄ２との対向面には周波数調整用電極４０が形成されていない。その他の構成は第１実施形態で示した誘電体導波管フィルタ１０１と同じである。

このような構造であっても、共振器部１１Ｄ１，１１Ｄ２は、互いの側面同士が対向することで、一つのキャビティを有する共振器１１Ｄを構成する。したがって、７段の誘電体結合路に沿った共振器１１Ａ，１１Ｂ，１１Ｃ，１１Ｄ，１１Ｅ，１１Ｆ，１１Ｇと、１段の共振器１１Ｄを飛び越す副結合路とを備える誘電体導波管フィルタ１０２が構成される。

本実施形態の誘電体導波管フィルタ１０２は、第１の実施形態で示した誘電体導波管フィルタ１０１に比べて、二つのキャビティの接合によって構成される共振器部１１Ｄ１，１１Ｄ２による共振器１１Ｄの、ＴＥ１０１モードの共振周波数とＴＥ２０１モードの共振周波数とが近接しやすい。しかし、ＴＥ２０１モードの共振がスプリアスとして問題とならない場合には、本実施形態のように、周波数調整用電極は必須ではない。

《第３の実施形態》
第３の実施形態では周波数調整用電極の形状が第１の実施形態で示した例とは異なる誘電体導波管フィルタについて示す。

図１２は第３の実施形態に係る誘電体導波管フィルタ１０３の外観斜視図である。図１２に示すように、誘電体導波管共振器列２１，２２は、それぞれ直方体状の誘電体ブロックに構成されている。

誘電体導波管共振器列２１には、共振器１１Ａ，１１Ｂ，１１Ｃ、及び共振器部１１Ｄ１が形成されている。また、誘電体導波管共振器列２２には、共振器１１Ｅ，１１Ｆ，１１Ｇ、及び共振器部１１Ｄ２が形成されている。

共振器部１１Ｄ１と共振器１１Ｄ２との対向面にはそれぞれ導体開口部４１が形成されている。また、この共振器部１１Ｄ１と共振器部１１Ｄ２との対向面に周波数調整用電極４０が形成されている。この周波数調整用電極４０は、円筒形状の孔内に形成された電極、つまり非貫通ポストである。この周波数調整用電極４０の構造以外は第１実施形態で示した誘電体導波管フィルタ１０１と同じである。

上記非貫通ポストは、誘電体導波管共振器列２１と誘電体導波管共振器列２２とを接合した後、下面から所定深さまで穿孔し、その内面にグランド電極を形成することで構成される。

なお、図７（Ａ）、図７（Ｂ）、図７（Ｃ）、図７（Ｄ）に示した例では、周波数調整用電極を正面から視た形状を示したが、図７（Ｂ）に示した周波数調整用電極４０Ｂ，４０Ｔを、図１２に示したように、円柱形状の孔内に形成された電極、つまり非貫通ポストで構成してもよい。同様に、図７（Ｃ），図７（Ｄ）に示した帯状電極４０Ｗ，４０ＷＢ，４０ＷＴは、スリット状の孔内に形成された電極であってもよい。

このように周波数調整用電極を立体的にしてその表面積を大きくすることで、結合共振器間の無負荷Ｑ（Ｑｕ）の低下を抑制できる。

《第４の実施形態》
第４の実施形態では周波数調整用電極の形状が第１の実施形態で示した例とは異なる誘電体導波管フィルタについて示す。

図１３は第４の実施形態に係る誘電体導波管フィルタ１０４の外観斜視図である。図１３に示すように、誘電体導波管共振器列２１，２２は、それぞれ直方体状の誘電体ブロックに構成されている。

誘電体導波管共振器列２１には、共振器１１Ａ，１１Ｂ，１１Ｃ、及び共振器部１１Ｄ１が形成されている。また、誘電体導波管共振器列２２には、共振器１１Ｅ，１１Ｆ，１１Ｇ、及び共振器部１１Ｄ２が形成されている。

共振器部１１Ｄ１と共振器１１Ｄ２との対向面にはそれぞれ導体開口部４１が形成されている。また、この共振器部１１Ｄ１と共振器部１１Ｄ２との対向面に周波数調整用電極４０が形成されている。

共振器１１Ｃと共振器１１Ｅとの対向面には導体開口部４２が形成されている。この導体開口部４２は、共振器１１Ｃ，１１Ｅの電界方向の幅（Ｚ方向の幅）を制限するので、共振器１１Ｃと共振器１１Ｅとを容量性結合させる容量性結合窓として作用する。その他の構成は図１に示した誘電体導波管フィルタ１０１と同じである。

第１の実施形態では、導体開口部４２による、共振器１１Ｃと共振器１１Ｅとの副結合が誘導性結合であり、かつ、副結合によって飛び越される共振器１１Ｄとその前後の共振器１１Ｃ，１１Ｅとがそれぞれ誘導性結合で結合されるので、通過域より高周波数側に減衰極が生じるが、本実施形態では、導体開口部４２による、共振器１１Ｃと共振器１１Ｅとの副結合が容量性結合であり、かつ、副結合によって飛び越される共振器１１Ｄとその前後の共振器１１Ｃ，１１Ｅとがそれぞれ誘導性結合で結合されるので、通過域より低周波数側に減衰極が生じる。

《第５の実施形態》
第５の実施形態では、誘電体導波管フィルタが適用される携帯電話基地局の例について示す。

図１４は携帯電話基地局のブロック図である。携帯電話基地局の回路には、ＦＰＧＡ１２１、ＤＡコンバータ１２２、帯域通過フィルタ１２３、１２６，１３１、シングルミキサー１２５、局部発振器１２４、アッテネータ１２７、アンプ１２８、パワーアンプ１２９、検波器１３０、及びアンテナ１３２を備える。

上記ＦＰＧＡ１２１は、変調済みのデジタル信号を発生する。ＤＡコンバータ１２２は変調済みのデジタル信号をアナログ信号に変換する。帯域通過フィルタ１２３はベースバンドの周波数帯域の信号を通過させ、それ以外の周波数帯の信号を除去する。シングルミキサー１２５は、帯域通過フィルタ１２３の出力信号と局部発振器１２４の発振信号とを混合してアップコンバートする。帯域通過フィルタ１２６はアップコンバートにより生じる不要周波数帯を除去する。アッテネータ１２７は送信波の強度を調整し、アンプ１２８は送信波を前段増幅する。パワーアンプ１２９は送信波を電力増幅して、帯域通過フィルタ１３１を介してアンテナ１３２から送信波を送信する。帯域通過フィルタ１３１は送信周波数帯の送信波を通過させる。検波器１３０は送信電力を検出する。

このような携帯電話基地局において、送信波の周波数帯域を通過させる帯域通過フィルタ１２６，１３１に、第１の実施形態から第３の実施形態で示した誘電体導波管フィルタを用いることができる。

最後に、上述の実施形態の説明は、すべての点で例示であって、制限的なものではない。当業者にとって変形及び変更が適宜可能である。本発明の範囲は、上述の実施形態ではなく、特許請求の範囲によって示される。さらに、本発明の範囲には、特許請求の範囲内と均等の範囲内での実施形態からの変更が含まれる。

例えば、第１の実施形態の誘電体導波管フィルタ１０１や、第２の実施形態の誘電体導波管フィルタ１０２では、１段の共振器（共振器１１Ｄ）を飛び越す副結合部を設けたが、同様にして奇数段の共振器を飛び越す副結合部を設けてもよい。例えば、図１において、共振器１１Ｂと共振器１１Ｆとの間に副結合部を設けると、３段の共振器（共振器１１Ｃ，１１Ｄ，１１Ｅ）を飛び越す副結合路が構成される。また、例えば、図１において、共振器１１Ａと共振器１１Ｇとの間に副結合部を設けると、５段の共振器（共振器１１Ｂ，１１Ｃ，１１Ｄ，１１Ｅ、１１Ｆ）を飛び越す副結合路が構成される。

また、以上に示した各実施形態では７段の共振器を備える誘電体導波管フィルタを例示したが、本発明は、３段以上の共振器を備える誘電体導波管フィルタに同様に適用できる。

ＦＰ…折り返し部
Ｇ１２，Ｇ２３，Ｇ３４，Ｇ４５，Ｇ５６，Ｇ６７…溝
ＭＡ…実装領域
ＭＣ１２，ＭＣ２３，ＭＣ３４，ＭＣ４５，ＭＣ５６，ＭＣ６７…主結合部
ＳＣ３５…副結合部
１…誘電体ブロック
１１Ａ，１１Ｂ，１１Ｃ，１１Ｄ，１１Ｅ，１１Ｆ，１１Ｇ，１１Ｈ…誘電体導波管共振器
１１Ｄ１，１１Ｄ２…誘電体導波管共振器部
２１，２２…誘電体導波管共振器列
２３…グランド電極
２３ａ…ギャップ間のグランド電極
２５ａ…第１ギャップ部
２５ｂ…第２ギャップ部
２６…モード変換部
２７…入出力電極
２７ａ…入出力電極の外側端部
２７ｂ…入出力電極の内側端部
３３…グランド導体
３３ａ…ギャップ間のグランドパターン
３５ａ…第１ギャップ部
３５ｂ…第２ギャップ部
３７…入出力パターン
３７ａ…外側端部
３７ｂ…内側端部
３８…ビア導体
３９…伝送線路
４０，４０Ｂ，４０Ｔ…周波数調整用電極
４０Ｗ，４０ＷＢ，４０ＷＴ…帯状電極
４１，４２，４３，４４…導体開口部
９０…回路基板
１００〜１０４…誘電体導波管フィルタ
１２１…ＦＰＧＡ
１２２…ＤＡコンバータ
１２３，１２６，１３１…帯域通過フィルタ
１２４…局部発振器
１２５…シングルミキサー
１２７…アッテネータ
１２８…アンプ
１２９…パワーアンプ
１３０…検波器
１３２…アンテナ

Claims (7)

1. 信号伝搬の主結合路に沿って配置された３以上の複数の誘電体導波管共振器と、
   前記複数の誘電体導波管共振器のうち前記主結合路に沿って隣接する誘電体導波管共振器同士の間にそれぞれ設けられた複数の主結合部と、を備え、
   前記複数の誘電体導波管共振器それぞれは、直方体形状であり、ＴＥ１０１モードで共振し、
   前記主結合路は途中の折り返し部で折り返されており、
   前記複数の誘電体導波管共振器のうちの前記折り返し部の誘電体導波管共振器を除く他の誘電体導波管共振器は、２つの列に配置され、
   前記折り返し部の誘電体導波管共振器の前記主結合路に沿った幅は前記２つの列の幅に対応する、
   誘電体導波管フィルタ。
2. 前記複数の主結合部は、前記主結合路に沿って互いに隣接する誘電体導波管共振器の間に形成された結合窓である、
   請求項１に記載の誘電体導波管フィルタ。
3. 前記複数の誘電体導波管共振器のうち、前記列が異なり、かつ隣接する誘電体導波管共振器同士を副結合させる結合窓を備える、
   請求項１又は２に記載の誘電体導波管フィルタ。
4. 前記折り返し部の誘電体導波管共振器は、前記ＴＥ１０１モードの共振周波数を低下させる、周波数調整用電極を備える、
   請求項１から３のいずれかに記載の誘電体導波管フィルタ。
5. 前記周波数調整用電極は、内面に導体膜が形成された非貫通ポストである、請求項４に記載の誘電体導波管フィルタ。
6. 前記主結合部の結合窓は、前記主結合路に沿って隣接する誘電体導波管共振器同士の間を前記列の幅方向に狭める溝で構成されている、
   請求項１から５のいずれかに記載の誘電体導波管フィルタ。
7. 前記溝の奥部は、当該溝の幅の１／６以上２／３以下の丸み半径を有する、
   請求項６に記載の誘電体導波管フィルタ。

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