JP2869914B2 - 共振器 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は共振器に関し、特にた
とえば、１／４波長の共振器に関する。

【０００２】

【従来の技術】図１７〜２０はこの発明の背景となる従
来の共振器の例を示す図解図である。図１７に示す共振
器は、誘電体同軸共振器である。この共振器は、円筒状
の誘電体１を含み、その一端面を除く部分に電極２が形
成されている。また、図１８に示す共振器は、誘電体基
板３を含み、その一方面のほぼ全面にアース電極（図示
せず）が形成される。そして、誘電体基板３の他方面に
は、アース電極と対向するようにして、直線状のパター
ン電極４が形成される。このパターン電極４の一端は、
誘電体基板３の端面を介してアース電極に接続される。
これらの誘電体基板３，アース電極およびパターン電極
４で、マイクロストリップラインが形成される。

【０００３】図１９に示す共振器は、ボビン５を含み、
ボビン５の外周面に螺旋状の溝が形成されている。そし
て、ボビン５の溝に同軸ケーブルなどの導線６が巻回さ
れ、導線６の一端が端子７に接続される。導線６が巻回
されたボビン５は、金属ケースで覆われる。この共振器
の原理は、遠端開放型の１／４波長同軸共振器である。
また、図２０に示す共振器は、図１８の共振器と同様
に、誘電体基板３を含む。そして、誘電体基板の一方面
のほぼ全面に、アース電極（図示せず）が形成される。
さらに、誘電体基板３の他方面上には、アース電極と対
向して、渦巻状のパターン電極８が形成される。このパ
ターン電極８の一端は、誘電体基板３の端面を介してア
ース電極に接続される。さらに、パターン電極８の一端
から間隔を隔てて、取出し電極９が引き出される。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】図１７に示す共振器の
長さおよび図１８に示す共振器のパターン電極の長さＬ
は、次に示す数１で示される。

【０００５】

【数１】

【０００６】ここで、λは波長であり、ε_reは誘電体の
実効誘電率である。数１からわかるように、これらの共
振器を小型化するためには、高誘電率の誘電体材料を使
用することが考えられる。しかしながら、その温度特性
から誘電体材料の比誘電率をあまり大きくすることがで
きず、比誘電率ε_r ＝１００程度が限度である。この比
誘電率が、そのまま実効誘電率ε_reに置き換えられると
して、１ＧＨｚの共振器を形成すると、上式からＬ＝
７．５ｍｍと非常に長くなる。そのため、共振器の小型
化が困難である。

【０００７】また、共振器を使用するに際して、外部回
路とのインピーダンス整合をとることが望ましい。とこ
ろが、誘電体同軸共振器やマイクロストリップライン共
振器では、誘電体の比誘電率や寸法および各電極の寸法
などによって特性インピーダンスが決定されるため、外
部回路との整合がとれない場合がある。そのため、イン
ピーダンス調整用のＬＣ部品を取り付けたり、トリミン
グ工程を入れたりして、外部回路とのインピーダンス整
合をとる必要がある。

【０００８】図１９に示す共振器では、同軸ケーブルな
どを螺旋状に巻回することによって、単位長さ当たりの
インダクタンスとキャパシタンスとを大きくして波長短
縮を行い、軸方向の長さを短くして小型化したものであ
る。しかしながら、同軸ケーブルなどを螺旋状に巻回し
ているため占有面積が大きくなり、またコイルに発生し
た静電容量を利用しているため小型化しにくいなどの問
題がある。さらに、導線，ボビン，金属ケースなどを組
み立てているため、製造がめんどうであり、コストダウ
ンが困難である。

【０００９】図２０に示す共振器では、パターン電極が
渦巻状に形成されているため、隣接するパターン電極間
で磁束が影響しあって、電流が流れにくくなる。そのた
め、実質的な抵抗が大きくなり、Ｑが低下する。また、
渦巻状のパターン電極を用いた共振器では、共振周波数
が低くなると、その構造上パターン電極のライン幅を細
くして巻数を増やす必要があり、さらに抵抗が大きくな
ってＱが低下するという問題があった。

【００１０】それゆえに、この発明の主たる目的は、Ｑ
が高く、高精度で、かつ小型の共振器を提供することで
ある。

【００１１】

【課題を解決するための手段】この発明は、誘電体基板
と、誘電体基板の一方面上に面状に形成されるアース電
極と、誘電体基板の他方面上にアース電極と対向して形
成され、その一端がアース電極に接続される渦巻状のパ
ターン電極と、パターン電極の一端と間隔を隔ててパタ
ーン電極から引き出される取出し電極とを含み、パター
ン電極の面積をＳ１とし、パターン電極の渦巻きの中央
部のパターン電極が形成されていない部分の面積をＳ２
としたとき、面積比Ｓ２／Ｓ１を０．１５以上にした、
共振器である。この共振器において、パターン電極の幅
をその一端から他端に向かうにしたがって小さくなるよ
うにすることが望ましい。

【００１２】

【作用】アース電極と渦巻状のパターン電極とからなる
共振器では、パターン電極の面積Ｓ１とパターン電極が
形成されていない部分の面積Ｓ２との比Ｓ２／Ｓ１を
０．１５以上にすることによって、Ｑの高い共振器を得
られることがわかった。

【００１３】さらに、パターン電極の電流分布はアース
端子との接続部分が大きく、先端に向かうにしたがって
電流分布が小さくなる。したがって、電流分布の大きい
部分のパターン電極幅を大きくし、電流分布の小さい部
分のパターン電極幅を小さくすることによって、電流分
布に対応した抵抗を得ることができる。

【００１４】

【発明の効果】この発明によれば、渦巻状のパターン電
極を有する共振器において、面積比Ｓ２／Ｓ１を０．１
５以上にすることによって、Ｑの高い共振器を得られる
ことがわかった。さらに、パターン電極幅を変えること
によって、電流分布に対応した抵抗を得ることができ、
面積比Ｓ２／Ｓ１による効果と合わせて、高いＱを有す
る共振器を得ることができる。しかも、この共振器は、
パターン電極が渦巻状であるため、直線状のパターン電
極を有する共振器に比べて小型化することができる。

【００１５】また、渦巻状のパターン電極を有する共振
器では、取出し電極の位置を変えることにより、インピ
ーダンスを調整することができる。したがって、所望の
インピーダンスを得ることができ、外部回路とのインピ
ーダンス整合をとるために、他のＬＣ部品などを使用す
る必要がない。しかも、エッチングなどの方法を用い
て、各電極の寸法を正確に形成することができるため、
精度の高い共振器を得ることができる。さらに、１枚の
誘電体基板に複数の電極パターンを正確に形成すること
ができるため、共振器の量産が可能であり、コストダウ
ンを図ることができる。

【００１６】この発明の上述の目的，その他の目的，特
徴および利点は、図面を参照して行う以下の実施例の詳
細な説明から一層明らかとなろう。

【００１７】

【実施例】図１はこの発明の一実施例を示す平面図であ
り、図２はその断面図解図であり、図３はその分解斜視
図である。この共振器１０は、矩形板状の第１の誘電体
基板２０を含む。第１の誘電体基板２０としては、たと
えば比誘電率が７０以上の高誘電率を有するものが用い
られる。第１の誘電体基板２０は図４，図５および図６
に示され、第１の誘電体基板２０の一方面上のほぼ全面
にアース電極２２が形成される。さらに、第１の誘電体
基板２０の他方面上には、アース電極２２に対向してパ
ターン電極２４が形成される。パターン電極２４は、第
１の誘電体基板２０の１つの辺から中心方向に向かっ
て、一定幅の渦巻状に形成される。このとき、パターン
電極２４の面積をＳ１，渦巻きの中心部のパターン電極
が形成されていない部分の面積をＳ２としたとき、面積
比Ｓ２／Ｓ１が０．１５以上となるように形成される。

【００１８】 さらに、パターン電極２４から誘電体基板
２０の端部に向かって、取出し電極２６が引き出され
る。取出し電極２６は、誘電体基板２０の辺に引き出さ
れたパターン電極２４の一端から所定の間隔を隔てて形
成される。これらのパターン電極２４および取出し電極
２６上には、ポリイミド層などの接着剤層２８が形成さ
れる。この接着剤層２８上には、第２の誘電体基板３０
が形成される。第２の誘電体基板３０としては、たとえ
ば第１の誘電体基板より低い比誘電率を有するものが用
いられる。第２の誘電体基板３０は図７，図８および図
９に示され、第２の誘電体基板３０上のほぼ全面にシー
ルド電極３２が形成される。そして、アース電極２２お
よびシールド電極３２を覆うようにして、保護層３４，
３６が形成される。このとき、保護層３４，３６は、取
出し電極２６の引き出された方向を除いて、アース電極
２２およびシールド電極３２の端部が露出するように形
成される。

【００１９】 この共振器１０の側面には、３つの端子電
極３８ａ，３８ｂ，３８ｃが形成される。これらの端子
電極３８ａ，３８ｂ，３８ｃは、取出し電極２６が引き
出されていない側面に形成される。そして、１つの端子
電極３８ａによって、パターン電極２４，アース電極２
２およびシールド電極３２が接続される。また、他の端
子電極３８ｂ，３８ｃは、それぞれアース電極２２およ
びシールド電極３２に接続される。さらに、共振器１０
の取出し電極２６が引き出された側面には、取出し端子
電極４０が形成される。この取出し端子電極４０は、取
出し電極２６に接続される。この共振器１０のインピー
ダンスは、端子電極３８ａに接続されたパターン電極２
４の一端と取出し電極２６との間隔によって決定され
る。

【００２０】 このような共振器１０では、波長をλ，実
効誘電率をε_re，補正値をｋとしたとき、パターン電極
２４の長さＬは次に示す数２で表される。また、実効誘
電率ε_reは、数３および数４で表される。

【００２１】

【数２】

【００２２】

【数３】

【００２３】

【数４】

【００２４】ここで、ε_r は第１の誘電体基板２０の比
誘電率、Ｗはパターン電極２４の幅、ｔは第１の誘電体
基板２０の厚みであり、補正値ｋはパターン電極２４の
曲げ回数（巻数）および第２の誘電体基板３０の比誘電
率とその厚みに対応した値である。ここで、比誘電率と
厚みを一定とした場合、この補正値ｋは、図１０に示す
パターン電極２４の９０°曲げ回数との関係を示すグラ
フから求められる。

【００２５】 この共振器１０を作製するには、第１の誘
電体基板２０が準備される。この第１の誘電体基板２０
に、薄膜工法およびエッチングなどの方法を用いて、ア
ース電極２２およびパターン電極２４が形成される。さ
らに、第２の誘電体基板３０に、薄膜工法によって、シ
ールド電極３２が形成される。そして、第１の誘電体基
板２０のアース電極２２および第２の誘電体基板３０の
シールド電極３２の上に、ガラスまたは樹脂を用いて保
護層３４，３６が形成される。さらに、第１の誘電体基
板２０のパターン電極２４形成面に熱可塑性ポリイミド
を印刷あるいは塗布し、第２の誘電体基板３０を貼り合
わせて加熱圧着する。そののち、端子電極３８ａ，３８
ｂ，３８ｃおよび取出し端子電極４０を形成し、共振器
１０が作製される。

【００２６】 この共振器１０では、コンデンサパターン
が形成されていないが、図１１に示す等価回路を有す
る。これは、この共振器１０の構造がストリップライン
構造であるために、パターン電極２４とアース電極２２
との間に静電容量が形成されるためである。また、パタ
ーン電極２４とシールド電極３２との間にも静電容量が
形成されるが、主として比誘電率の大きい第１の誘電体
基板２０を挟んだアース電極２２との間に静電容量が形
成される。この静電容量は、第１の誘電体基板２０の厚
みを変えることにより変化させることができ、それによ
って共振周波数を変えることができる。また、第１の誘
電体基板２０の比誘電率やパターン電極２４の幅を変え
ることによっても、静電容量を変えることができる。実
験によれば、第１の誘電体基板２０の比誘電率や厚みま
たはパターン電極２４の面積を調整することにより、共
振器１０の適用可能周波数を１ＧＨｚ〜５ＧＨｚに調整
することができた。

【００２７】 この共振器１０では、面積比Ｓ２／Ｓ１を
０．１５以上にすることによって、Ｑを高めることがで
きる。たとえば１ＧＨｚの共振周波数において、面積比
Ｓ２／Ｓ１とＱとの関係を測定し、図１２に示した。こ
こでは、実用上Ｑが５０以上必要であることから、面積
比Ｓ２／Ｓ１を０．１５以上にすることが適当であると
した。このグラフから、面積比Ｓ２／Ｓ１が０．１５未
満となったとき、共振器のＱが急激に劣化していること
がわかる。このグラフは共振周波数１ＧＨｚにおけるも
のであるが、それ以上の共振周波数のものでも対応す
る。また、この共振器１０では、パターン電極２４の一
端と取出し電極２６との間隔を調整することにより、そ
のインピーダンスを調整することができるため、容易に
外部回路とのインピーダンス整合をとることができる。

【００２８】 渦巻状のパターン電極を有する共振器につ
いて、パターン電極幅を変えて面積比Ｓ２／Ｓ１を０．
１５未満にした場合、パターン電極幅を一定にして面積
比Ｓ２／Ｓ１を０．１５以上にした場合、およびパター
ン電極幅を一定にして面積比Ｓ２／Ｓ１を０．１５未満
にした場合について実験した。そのために、共振器１０
の平面寸法１．６×１．６ｍｍ、第１の誘電体基板２０
および第２の誘電体基板３０の厚み６００μｍ，第１の
誘電体基板２０の比誘電率ε_r ＝１００，第２の誘電体
基板３０の比誘電率ε_r ＝２１．５，パターン電極２４
の全長６．２ｍｍの共振器を作製した。このような共振
器において、パターン電極２４の一端からの長さを１：
２：２：１の割合に分割し、それぞれの部分の幅を１．
２５：１．０：０．７５：０．５の割合となるように形
成した。また、面積比Ｓ２／Ｓ１を０．１５とし、パタ
ーン電極幅を一定にして共振器を形成した。この共振器
では、パターン電極の形成されていない部分の面積Ｓ２
を大きくするために、渦巻状のパターン電極の隣接する
部分の間隔を１００μｍ以下にした。さらに、従来例と
して、面積比Ｓ２／Ｓ１を０．１５未満とし、パターン
電極幅を一定にして共振器を形成した。これらの共振器
について、２ＧＨｚの共振周波数でＱを測定し、図１３
および図１４に示した。これらの図からわかるように、
パターン電極の幅を変えた共振器のＱは約８０であり、
面積比０．１５でパターン電極幅一定の共振器のＱは約
７０であり、従来の共振器のＱは約６５であった。

【００２９】 さらに、渦巻状のパターン電極を有する共
振器１０において、図１５に示すように、パターン電極
２４の幅を、端子電極３８ａとの接続部分から離れるに
したがって小さくなるように形成し、かつ面積比Ｓ２／
Ｓ１を０．１５以上にすれば、さらに共振器のＱを高め
ることができる。パターン電極２４の幅を変えることに
より共振器のＱを高めることができるのは、マイクロス
トリップ共振器では、端子電極３８ａに接続されたパタ
ーン電極２４の一端側の電流分布が大きく、他端側の電
流分布が小さいため、電流分布の大きい部分のパターン
電極幅を大きくすることによって、実質的な抵抗を小さ
くすることができるからである。このような共振器１０
では、面積比Ｓ２／Ｓ１を０．１５以上にしたことによ
る効果と、パターン電極２４の幅を変化させたことによ
る効果とが合わさって、よりＱの高い共振器を得ること
ができる。

【００３０】 実験例として、図１５に示す構造で２ＧＨ
ｚの共振周波数を有する共振器を作製し、その周波数特
性を測定して、図１６に示した。さらに、従来例とし
て、面積比Ｓ２／Ｓ１が０．１５未満でパターン電極幅
が一定の共振器の周波数特性を点線で示した。図１６か
らわかるように、面積比Ｓ２／Ｓ１を０．１５以上に
し、パターン電極幅を変化させた共振器は、２ＧＨｚに
共振点のピークがあり、従来例の共振器に比べて、立ち
上がりと立ち下がりとが急峻な特性を示している。しか
も、その他の周波数域では、平坦な特性を示している。
これらの共振器のＱを測定したところ、この発明の共振
器のＱは約９７であったのに対して、従来例の共振器の
Ｑは約６５であった。

【００３１】 この発明の共振器では、第１の誘電体基板
２０の材料として、その比誘電率が７０以上のものが用
いられているが、これは比誘電率を小さくするとパター
ン電極２４の全長Ｌが長くなるためである。パターン電
極２４の全長が長くなると、パターン電極２４の巻数が
増加する。そのため、パターン電極の形成されていない
部分の面積Ｓ２を確保できなくなり、Ｑが劣化してしま
う。また、面積Ｓ２を確保しようとすると、共振器が大
型化してしまう。したがって、十分なＱを確保し、しか
も小型の共振器を得るためには、第１の誘電体基板２０
の材料として比誘電率が７０以上のものが必要となる。

【００３２】 また、パターン電極から引き出される取出
し電極の形成位置を変えることにより、共振器のインピ
ーダンスを調整することができ、外部回路とのインピー
ダンス整合をとることができる。したがって、インピー
ダンス整合をとるために、他のＬＣ部品などを使用する
必要がない。しかも、エッチングなどの方法を用いて、
各電極の寸法を正確に形成することができるため、精度
の高い共振器を得ることができる。たとえば、各電極を
厚膜工法やめっきなどによって形成すると、電極の寸法
精度が±１０〜２０μｍであるのに対し、薄膜工法およ
びエッチングによって形成すると、寸法精度を±２〜３
μｍにすることができる。また、寸法精度を高くするこ
とによって、共振周波数のばらつきを１．０％以下にす
ることができた。さらに、１枚の誘電体基板に複数の電
極パターンを正確に形成することができるため、量産が
可能であり、コストダウンを図ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の一実施例を示す平面図である。

【図２】 図１ に示す共振器の断面図である。

【図３】 図１ に示す共振器の分解斜視図である。

【図４】 図１ に示す共振器の第１の誘電体基板を示す平
面図である。

【図５】 図４ に示す第１の誘電体基板の側面図である。

【図６】 図４ に示す第１の誘電体基板の裏面図である。

【図７】 図１ に示す共振器の第２の誘電体基板を示す平
面図である。

【図８】 図７ に示す第２の誘電体基板の側面図である。

【図９】 図７ に示す第２の誘電体基板の裏面図である。

【図１０】 図１ に示す共振器のパターン電極の９０°曲
げ回数と補正値ｋとの関係を示すグラフである。

【図１１】 図１ に示す共振器の等価回路図である。

【図１２】 図１ に示す共振器のパターン電極の面積Ｓ１
とパターン電極が形成されていない部分の面積Ｓ２との
面積比Ｓ２／Ｓ１と共振器のＱとの関係を示すグラフで
ある。

【図１３】 パターン電極の幅が一定の渦巻状のパターン
電極を有する共振器において、面積比Ｓ２／Ｓ１が０．
１５以上のものと面積比Ｓ２／Ｓ１が０．１５未満のも
のとの共振周波数とＱとの関係を示すグラフである。

【図１４】 面積比Ｓ２／Ｓ１が０．１５未満の渦巻状の
パターン電極を有する共振器において、パターン電極の
幅を変えたものとパターン電極の幅が一定のものとの共
振周波数とＱとの関係を示すグラフである。

【図１５】 この発明の他の実施例を示す分解斜視図であ
る。

【図１６】 図１５ に示す共振器と従来の共振器との周波
数特性を示すグラフである。

【図１７】 この発明の背景となる従来の共振器を示す図
解図である。

【図１８】 従来の共振器の他の例を示す平面図である。

【図１９】 従来の共振器のさらに他の例を示す図解図で
ある。

【図２０】 従来の共振器の別の例を示す平面図である。

【符号の説明】

１０ 共振器 ２０ 第１の誘電体基板 ２２ アース電極 ２４ パターン電極 ２６ 取出し電極 ３０ 第２の誘電体基板 ３２ シールド電極 ３８ａ，３８ｂ，３８ｃ 端子電極 ４０ 取出し端子電極

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平５−175713（ＪＰ，Ａ) 実開 昭61−171302（ＪＰ，Ｕ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) H01P 7/08 H03H 5/02

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 誘電体基板、 前記誘電体基板の一方面上に面状に形成されるアース電
   極、 前記誘電体基板の他方面上に前記アース電極と対向して
   形成され、その一端が前記アース電極に接続される渦巻
   状のパターン電極、および 前記パターン電極の一端と間隔を隔てて前記パターン電
   極から引き出される取出し電極を含み、 前記パターン電極の面積をＳ１とし、前記パターン電極
   の渦巻きの中央部の前記パターン電極が形成されていな
   い部分の面積をＳ２としたとき、面積比Ｓ２／Ｓ１を
   ０．１５以上にした、共振器。
2. 【請求項２】 前記パターン電極の幅をその一端から他
   端に向かうにしたがって小さくなるようにした、請求項
   １の共振器。