JP3405140B2 - 誘電体共振器 - Google Patents
誘電体共振器Info
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- H01P1/2138—Frequency-selective devices, e.g. filters combining or separating two or more different frequencies using hollow waveguide filters
Description
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】この発明は主にマイクロ波帯
やミリ波帯で用いられる誘電体共振器に関する。 【０００２】 【従来の技術】従来より、たとえば比較的高電力を扱う
マイクロ波帯の誘電体共振器として、円柱状または円筒
状の誘電体をシールドケースの内部に配置したＴＥ０１
δモードの誘電体共振器や、誘電体板または誘電体柱の
表面に電極を形成したＴＭモードの誘電体共振器がそれ
ぞれの特性を生かして目的に応じて用いられている。特
にＴＭモードの誘電体共振器は、小型で且つ高い無負荷
Ｑ（Ｑｏ）が得られるため、たとえば移動体通信用のセ
ルラーシステムにおける基地局のアンテナ共用器などに
用いられている。 【０００３】 【発明が解決しようとする課題】ところで、ＴＭモード
の誘電体共振器においては、誘電体板または誘電体柱の
電界分布方向に変位電流が流れ、表面に形成した電極に
実電流が流れるため、表面の電極による導体損が共振器
のＱｏの劣化要因となる。そのため、たとえば誘電体材
料として比誘電率の高いものを用いて、誘電体共振器全
体を小型化した場合に、表面の電極部分を流れる電流密
度が増大して、共振器のＱｏが悪化することになる。す
なわち誘電体共振器の小型化とＱｏとはトレードオフの
関係にあり、従来は所定のＱｏが維持できる寸法および
誘電体材料を選定して誘電体共振器の設計を行ってい
た。 【０００４】この発明の目的はＱｏを高く維持しつつ全
体に小型化を可能とした誘電体共振器を提供することに
ある。 【０００５】 【課題を解決するための手段】この発明はそれぞれ多角
形または円形の互いに略平行な平面部を有する誘電体板
または誘電体柱の表面に電極を形成し、その平面部に垂
直な方向に電界成分をもつモード、すなわちＴＭモード
で共振する誘電体共振器において、表面の電極部分での
電流集中を緩和してＱｏを高く維持するために、請求項
１に記載のとおり、誘電体板または誘電体柱の平面部の
電極を、薄膜電極層と薄膜誘電体層とを交互に積層する
とともに、各薄膜電極層の周辺部を短絡させてなる薄膜
多層電極として薄膜電極層により挟まれる各薄膜誘電体
層を誘電体共振器として作用させ、薄膜電極層の厚みを
使用周波数帯における表皮深さより薄く形成し、各薄膜
誘電体層と、各薄膜誘電体層を挟む薄膜電極層とによる
それぞれの共振器の共振周波数を、誘電体板または誘電
体柱による誘電体共振器の共振周波数に略等しくする。
この構成により、薄膜多層電極は多数の誘電体共振器の
積層化されたものとして作用し、また、各薄膜電極層が
誘電体板または誘電体柱による誘電体共振器の電磁界を
完全に遮蔽することなく、各薄膜電極層と薄膜誘電体層
による誘電体共振器が誘電体板または誘電体柱による誘
電体共振器に結合する。さらには、薄膜電極層を流れる
電流方向が誘電体板または誘電体柱による誘電体共振器
の電流方向と同方向（同位相）となって、各薄膜電極層
における電流密度をそれぞれ低減する。これにより、誘
電体共振器全体の導体損を効果的に抑制することができ
る。 【０００６】 【０００７】 【０００８】 【発明の実施の形態】この発明の第１の実施形態に係る
誘電体共振器の構成を図１〜図５を参照して説明する。 【０００９】図１の（Ａ）は斜視図、（Ｂ）は断面図で
あり、両図に示すように、誘電体板１は四角形の互いに
平行な平面部を図における上下面とする誘電体板であ
り、その上下の平面部に薄膜多層電極２を形成してい
て、側面（端面）にそれぞれ単層電極５を形成してい
る。これにより誘電体共振器１０を構成している。 【００１０】図２は図１の（Ｂ）におけるＡ部分の拡大
部分断面図である。図２において３ａ，３ｂ，３ｃ，３
ｄはそれぞれ薄膜電極層、４ａ，４ｂ，４ｃはそれぞれ
薄膜誘電体層であり、両者の交互の積層によって薄膜多
層電極２を構成している。同図においては、薄膜電極層
を４層、薄膜誘電体層を３層に限定して表しているが、
各層の層数はこれに限らず、これより少なくてもまた多
くてもよい。 【００１１】上記薄膜多層電極は、たとえばＣｕをスパ
ッタリングして薄膜電極層を形成し、誘電体板より誘電
率の低い材料をスパッタリングして薄膜誘電体層を形成
する、という処理を所定回数繰り返すことによって行
う。また、薄膜電極層と薄膜誘電体層との界面の接着性
を高めるために、ＴｉやＣｒ等を接着層として形成して
もよい。また、側面の単層電極はＣｕのメッキにより形
成する。この側面の電極は薄膜多層電極の形成後に設け
ることによって、薄膜多層電極の周辺部を短絡する。な
お、側面の電極をメッキにより形成する際、薄膜多層電
極の表面にメッキ膜が形成されてもよい。また、個々の
誘電体板毎に薄膜多層電極を形成してもよいが、母基板
状態で一括して薄膜多層電極を形成し、後に分断しメッ
キ処理してもよい。 【００１２】図３は図１に示した誘電体共振器の電磁界
分布および電極部分を流れる電流分布の例を示す図であ
る。同図の（Ａ）において誘電体共振器内の実線の矢印
は主要部分の電界方向および強度を表し、破線の矢印は
磁界分布を示している。このように誘電体共振器１０の
厚み方向に電界が分布し、それに垂直な面方向に磁界が
分布することになり、磁界の平面方向にｘ軸とｙ軸をと
り、これにそれぞれ垂直方向にｚ軸を採ると、この誘電
体共振器はＴＭ１１０モードと表すことができる。この
ように電磁界分布が生じるため、同図の（Ｂ）に示すよ
うに上面の薄膜多層電極２には、中央から四方へ広がる
方向に電流が流れ、単層電極５には図における上方から
下方へ電流が流れ、図における下面の薄膜多層電極２に
は四方から中央へと電流が流れることになる。 【００１３】図４は図２に示した各薄膜電極層に流れる
電流の様子を示す図である。同図の（Ｂ）に示すように
各薄膜誘電体層４ａ，４ｂ，４ｃはそれらの上下に存在
する薄膜電極層とともにそれぞれ極めて薄い誘電体共振
器を構成し、それぞれの共振周波数を誘電体板１による
誘電体共振器の共振周波数にほぼ等しくすることによっ
て、上下面の薄膜電極層に流れる電流の向き（位相）が
揃うことになる。これにより（Ａ）に示すように、誘電
体共振器の電流ｉａは薄膜電極層３ａを流れ、薄膜誘電
体層４ａによる共振器の電流ｉｂは薄膜電極層３ａおよ
び３ｂを流れる。同様に薄膜誘電体層４ｂによる誘電体
共振器の電流ｉｃは薄膜電極層３ｂおよび３ｃを流れ、
誘電体層４ｃによる誘電体共振器の電流ｉｄは薄膜電極
層３ｃおよび３ｄを流れる。したがって薄膜電極層３ａ
に流れる合成電流はｉａ−ｉｂ、薄膜電極層３ｂに流れ
る合成電流はｉｂ−ｉｃ、薄膜電極層３ｃに流れる合成
電流はｉｃ−ｉｄとなる。図中の白抜きの矢印はこれら
の合成電流の向きおよび大きさを模式的に表している。
このようにして、誘電体板１の表面部分における電流集
中が緩和され、表層にまで電流が分散されることにな
る。 【００１４】上記誘電体板としては、たとえばその比誘
電率が約４０の誘電体セラミクスを用い、各薄膜電極層
としては、比誘電率が４０より低い誘電体を用いること
によって、各薄膜電極層による誘電体共振器の共振周波
数を誘電体板１による誘電体共振器の共振周波数にほぼ
等しくすることができる。また、各薄膜電極層が誘電体
板または誘電体柱による誘電体共振器の電磁界を完全に
遮蔽することなく、各薄膜電極層と薄膜誘電体層による
誘電体共振器が誘電体板または誘電体柱による誘電体共
振器に結合するように、各薄膜電極層の厚みは共振周波
数における表皮深さと同程度かそれより薄い膜厚とす
る。 【００１５】図５は図４に示した薄膜多層電極の各薄膜
電極層に流れる電流分布と、多層化しない通常の単層電
極を形成した場合の電流分布とを対比して示す図であ
る。同図において、Ｈy はｙ軸方向（紙面に垂直方向）
の磁界、Ｅz はｚ軸方向の電界、ＪZ はｚ軸方向の電流
密度である。（Ｂ）に示すように、単層の電極を形成し
た場合には、表層になるほど指数関数的に電流密度が低
くなり、誘電体板表面で相対的に大きな電流が流れる。
因みに表皮深さ部分で誘電体板表面の１／ｅの電流が流
れることになる。これに対し本願の構成によれば、
（Ａ）に示すように各薄膜電極層部分での電流密度が分
散されて、全体の電流密度の集中が緩和されることにな
る。 【００１６】上記誘電体共振器のＱｏ改善効果の数値例
を次に示す。まずεｒ＝３８、寸法13.2×13.2×3.0 m
m の誘電体セラミクスを誘電体板として用い、σ＝5.0e
7 S/m の導電体材料を電極にして、共振周波数ｆｏ＝
２．６ＧＨｚのＴＭ１１０モード誘電体共振器を構成す
る。この誘電体共振器のＱｏは、上下面の電極によるＱ
をＱcu、側面の電極によるＱをＱcs、誘電体材料のＱを
Ｑd とすれば、１／Ｑｏ＝１／Ｑcu＋１／Ｑcs＋１／Ｑ
d で表される。各面を単層電極とした場合、 Ｑcu＝2143 Ｑcs＝4714 Ｑd ＝20000 であり、Ｑｏ＝1372となる。 【００１７】上下面の電極を、５層の薄膜電極層を有す
る薄膜多層電極とした場合、 Ｑcu＝4286 Ｑcs＝4714 Ｑd ＝20000 であり、Ｑｏ＝2018となり、Ｑｏが約１．４７倍に改善
された。 【００１８】次に第２の実施形態に係る誘電体共振器を
用いた誘電体フィルタの構成を図６〜図８を参照して説
明する。 【００１９】図６は４つの誘電体共振器を組み合わせて
構成した誘電体フィルタの斜視図および部分断面図であ
る。（Ａ）において１１，１２，１３，１４はそれぞれ
図１に示したものと基本的に同様の誘電体共振器であ
り、誘電体共振器１１と１２との対向面にＷ１で示す電
極非形成部（電極削除部）からなる窓を形成している。
誘電体共振器１２と１３との対向面にはＷ２で示す電極
非形成部からなる窓を形成している。さらに誘電体共振
器１３と１４との対向面にはＷ３で示す電極非形成部か
らなる窓を形成している。また、誘電体共振器１１，１
４の端面には同軸コネクタ１５，１６をそれぞれ取り付
けている。これらの誘電体共振器のうち１２，１３の図
における上面および誘電体共振器１１，１４の図におけ
る下面にそれぞれ薄膜多層電極を形成し、他の面には通
常の単層電極をそれぞれ形成している。なお、導体損を
さらに低減するためには、各誘電体共振器のそれぞれの
上下面を薄膜多層電極とすればよいが、この実施形態の
ように、誘電体共振器の上下面に窓Ｗ１，Ｗ３を設ける
場合には、その窓の電極開口縁部分で各薄膜電極層同士
が短絡しないように窓を形成する必要がある。 【００２０】図６の（Ｂ）は誘電体共振器１１に対する
同軸コネクタ１５の取り付け部分の断面図であり、同軸
コネクタ１５の中心導体で結合ループ１７を形成し、こ
れを誘電体共振器１１の誘電体板に穿った穴部分に挿入
している。 【００２１】図７は図６における誘電体共振器１１と１
２間の結合構造を示す断面図である。同図において
（Ａ）はイーブンモードの電界分布、（Ｂ）はオッドモ
ードの電界分布をそれぞれ示している。このように窓Ｗ
１部分の電極が無いと、オッドモードに対して容量成分
が減少するので、オッドモードの共振周波数ｆodd がイ
ーブンモードの共振周波数ｆevenより高くなって、誘電
体共振器１１−１２間が電界結合する。 【００２２】図８は図６に示した誘電体共振器１２と１
３間の結合状態を示す図である。（Ａ）はオッドモード
の磁界分布、（Ｂ）はイーブンモードの磁界分布をそれ
ぞれ示している。このように窓Ｗ２部分の電極が無い
と、インダクタンス成分が増大し、イーブンモードにお
ける共振周波数が低下し、ｆodd ＞ｆevenの関係となっ
て、誘電体共振器１２と１３間が磁界結合する。図６に
示した誘電体共振器１３と１４間は１１と１２間と同様
に窓Ｗ３の存在によって電界結合する。結局図６に示し
た誘電体フィルタは、同軸コネクタ１５→誘電体共振器
１１→１２→１３→１４→同軸コネクタ１６の経路で結
合し、４段の共振器からなる帯域通過フィルタ特性を有
するフィルタとして作用する。 【００２３】上述した例のように、各誘電体共振器の上
下面を薄膜多層電極とすることによって、Ｑｏをたとえ
ば１．４７倍に改善すれば、上記帯域通過フィルタの挿
入損失は１／１．４７倍に低減される。 【００２４】図９は第３の実施形態に係る各種形状を有
する誘電体共振器の斜視図である。第１および第２の実
施形態で示した誘電体共振器は底面が正方形の角柱状の
誘電体板を用いたが、図９の（Ａ）に示すように直方体
形状の誘電体板または誘電体柱を用いてもよく、また
（Ｂ）のように円板形状の誘電体板または円柱形状の誘
電体柱を用いてもよく、さらに（Ｃ）に示すように底面
が五角形以上の多角形状の誘電体板または誘電体柱を用
いてもよく、いずれの場合でもその平面部（上下面）の
電極を薄膜多層電極とすればよい。 【００２５】図１０は第４の実施形態に係る誘電体共振
器の構造を示す図である。（Ａ）の分解斜視図に示すよ
うに、有底の円筒形状のキャビティ２２に円柱形状の誘
電体柱２１を一体成形し、キャビティ２２の開口面に円
板形状の誘電体板２３を接合することによって、（Ｂ）
の断面図に示すように、円柱座標でＴＭ０１０モードの
誘電体共振器を構成し、誘電体板２３の図における上面
とキャビティ２２の図における下面に薄膜多層電極２を
形成し、誘電体板２３の周面とキャビティ２２の周面に
単層電極５を形成する。 【００２６】図１１は第５の実施形態に係る誘電体共振
器の構造を示す図である。（Ａ）は分解斜視図、（Ｂ）
は（Ａ）に示す各部を接合した状態におけるＡ−Ａ部分
の断面図である。このように角筒状のキャビティ２２の
内部に角柱状の誘電体柱２１を一体成形し、キャビティ
２２の２つの開口面に誘電体板２３，２４を接合する。
この場合、キャビティ２２の図における上下面に薄膜多
層電極２を形成し、誘電体板２３，２４の内面に単層電
極５を形成する。 【００２７】次に、第６の実施形態に係る誘電体フィル
タの構成を図１２および図１３を参照して説明する。 【００２８】図１２において１１，１２はそれぞれＴＭ
２重モードの誘電体共振器であり、誘電体板の図におけ
る上下面に薄膜多層電極を形成し、周面に単層電極を形
成するとともに、２つの誘電体共振器の接合面に電極の
無い、窓Ｗを形成している。また、それぞれ内部に結合
ループを有する同軸コネクタ１５，１６を、同一面に並
べて形成している。 【００２９】図１３は図１２に示した誘電体共振器１１
および１２の共振モードと結合状態を示す図であり、破
線の矢印はそれぞれ磁界分布を示す。上記２つの誘電体
共振器１１，１２は、図１３の（Ａ），（Ｂ）で示すよ
うに、縮退モード関係にあるＴＭ１２０モード（以下、
単に「ＴＭ１２モード」という。）とＴＭ２１０モード
（以下、単に「ＴＭ２１モード」という。）でそれぞれ
共振し、図１２に示した同軸コネクタ１５，１６の結合
ループはＴＭ１２モードに磁界結合する。図１３の
（Ｃ）は誘電体共振器１１，１２間の結合状態を示す図
であり、窓Ｗ部分に電極が無いため、ＴＭ２１モード同
士が磁界結合することになる。また誘電体板の角部を削
り取った形状とすることによって、ＴＭ２１モードとＴ
Ｍ１２モードのイーブンモードとオッドモードの共振周
波数に差が生じて縮退が解かれてＴＭ２１モードとＴＭ
１２モードの２つのモード間で結合が生じる。したがっ
て図１２に示した誘電体フィルタは、同軸コネクタ１５
→誘電体共振器１１のＴＭ１２モード→誘電体共振器１
１のＴＭ２１モード→誘電体共振器１２のＴＭ２１モー
ド→誘電体共振器１２のＴＭ１２モード→同軸コネクタ
１６の順に結合して、４段の共振器からなる帯域通過フ
ィルタとして作用する。 【００３０】図１４は第７の実施形態に係る誘電体フィ
ルタの斜視図および断面図である。このように複数の誘
電体板の平面部同士を接合させて多層化するとともに、
対向部分の電極に窓Ｗ１，Ｗ２，Ｗ３を形成して電界結
合させることによって多段化することもできる。この場
合、各誘電体板の平面部の電極をすべて薄膜多層電極と
し、周面を単層電極とすることによって、各誘電体共振
器の導体損を低減させ、挿入損失の少ないフィルタを得
る。 【００３１】 【発明の効果】請求項１に係る発明によれば、薄膜多層
電極の各薄膜電極層に分散して電流が流れ、誘電体板ま
たは誘電体柱表面における電流集中が緩和され、全体の
導体損が低減される。さらには、各薄膜電極層が誘電体
板または誘電体柱による誘電体共振器の電磁界を完全に
遮蔽することなく、各薄膜電極層と薄膜誘電体層による
誘電体共振器が上記誘電体板または誘電体柱による誘電
体共振器に結合することになり、各薄膜電極層における
電流の分散が効率よく行われ、全体の導体損が効果的に
低減される。 さらには、薄膜電極層を流れる電流方向が
誘電体板または誘電体柱による誘電体共振器の電流方向
と同方向（同位相）となって、各薄膜電極層における電
流密度をそれぞれ低減することができ、全体の導体損を
効果的に抑制することができる。 【００３２】 【００３３】
やミリ波帯で用いられる誘電体共振器に関する。 【０００２】 【従来の技術】従来より、たとえば比較的高電力を扱う
マイクロ波帯の誘電体共振器として、円柱状または円筒
状の誘電体をシールドケースの内部に配置したＴＥ０１
δモードの誘電体共振器や、誘電体板または誘電体柱の
表面に電極を形成したＴＭモードの誘電体共振器がそれ
ぞれの特性を生かして目的に応じて用いられている。特
にＴＭモードの誘電体共振器は、小型で且つ高い無負荷
Ｑ（Ｑｏ）が得られるため、たとえば移動体通信用のセ
ルラーシステムにおける基地局のアンテナ共用器などに
用いられている。 【０００３】 【発明が解決しようとする課題】ところで、ＴＭモード
の誘電体共振器においては、誘電体板または誘電体柱の
電界分布方向に変位電流が流れ、表面に形成した電極に
実電流が流れるため、表面の電極による導体損が共振器
のＱｏの劣化要因となる。そのため、たとえば誘電体材
料として比誘電率の高いものを用いて、誘電体共振器全
体を小型化した場合に、表面の電極部分を流れる電流密
度が増大して、共振器のＱｏが悪化することになる。す
なわち誘電体共振器の小型化とＱｏとはトレードオフの
関係にあり、従来は所定のＱｏが維持できる寸法および
誘電体材料を選定して誘電体共振器の設計を行ってい
た。 【０００４】この発明の目的はＱｏを高く維持しつつ全
体に小型化を可能とした誘電体共振器を提供することに
ある。 【０００５】 【課題を解決するための手段】この発明はそれぞれ多角
形または円形の互いに略平行な平面部を有する誘電体板
または誘電体柱の表面に電極を形成し、その平面部に垂
直な方向に電界成分をもつモード、すなわちＴＭモード
で共振する誘電体共振器において、表面の電極部分での
電流集中を緩和してＱｏを高く維持するために、請求項
１に記載のとおり、誘電体板または誘電体柱の平面部の
電極を、薄膜電極層と薄膜誘電体層とを交互に積層する
とともに、各薄膜電極層の周辺部を短絡させてなる薄膜
多層電極として薄膜電極層により挟まれる各薄膜誘電体
層を誘電体共振器として作用させ、薄膜電極層の厚みを
使用周波数帯における表皮深さより薄く形成し、各薄膜
誘電体層と、各薄膜誘電体層を挟む薄膜電極層とによる
それぞれの共振器の共振周波数を、誘電体板または誘電
体柱による誘電体共振器の共振周波数に略等しくする。
この構成により、薄膜多層電極は多数の誘電体共振器の
積層化されたものとして作用し、また、各薄膜電極層が
誘電体板または誘電体柱による誘電体共振器の電磁界を
完全に遮蔽することなく、各薄膜電極層と薄膜誘電体層
による誘電体共振器が誘電体板または誘電体柱による誘
電体共振器に結合する。さらには、薄膜電極層を流れる
電流方向が誘電体板または誘電体柱による誘電体共振器
の電流方向と同方向（同位相）となって、各薄膜電極層
における電流密度をそれぞれ低減する。これにより、誘
電体共振器全体の導体損を効果的に抑制することができ
る。 【０００６】 【０００７】 【０００８】 【発明の実施の形態】この発明の第１の実施形態に係る
誘電体共振器の構成を図１〜図５を参照して説明する。 【０００９】図１の（Ａ）は斜視図、（Ｂ）は断面図で
あり、両図に示すように、誘電体板１は四角形の互いに
平行な平面部を図における上下面とする誘電体板であ
り、その上下の平面部に薄膜多層電極２を形成してい
て、側面（端面）にそれぞれ単層電極５を形成してい
る。これにより誘電体共振器１０を構成している。 【００１０】図２は図１の（Ｂ）におけるＡ部分の拡大
部分断面図である。図２において３ａ，３ｂ，３ｃ，３
ｄはそれぞれ薄膜電極層、４ａ，４ｂ，４ｃはそれぞれ
薄膜誘電体層であり、両者の交互の積層によって薄膜多
層電極２を構成している。同図においては、薄膜電極層
を４層、薄膜誘電体層を３層に限定して表しているが、
各層の層数はこれに限らず、これより少なくてもまた多
くてもよい。 【００１１】上記薄膜多層電極は、たとえばＣｕをスパ
ッタリングして薄膜電極層を形成し、誘電体板より誘電
率の低い材料をスパッタリングして薄膜誘電体層を形成
する、という処理を所定回数繰り返すことによって行
う。また、薄膜電極層と薄膜誘電体層との界面の接着性
を高めるために、ＴｉやＣｒ等を接着層として形成して
もよい。また、側面の単層電極はＣｕのメッキにより形
成する。この側面の電極は薄膜多層電極の形成後に設け
ることによって、薄膜多層電極の周辺部を短絡する。な
お、側面の電極をメッキにより形成する際、薄膜多層電
極の表面にメッキ膜が形成されてもよい。また、個々の
誘電体板毎に薄膜多層電極を形成してもよいが、母基板
状態で一括して薄膜多層電極を形成し、後に分断しメッ
キ処理してもよい。 【００１２】図３は図１に示した誘電体共振器の電磁界
分布および電極部分を流れる電流分布の例を示す図であ
る。同図の（Ａ）において誘電体共振器内の実線の矢印
は主要部分の電界方向および強度を表し、破線の矢印は
磁界分布を示している。このように誘電体共振器１０の
厚み方向に電界が分布し、それに垂直な面方向に磁界が
分布することになり、磁界の平面方向にｘ軸とｙ軸をと
り、これにそれぞれ垂直方向にｚ軸を採ると、この誘電
体共振器はＴＭ１１０モードと表すことができる。この
ように電磁界分布が生じるため、同図の（Ｂ）に示すよ
うに上面の薄膜多層電極２には、中央から四方へ広がる
方向に電流が流れ、単層電極５には図における上方から
下方へ電流が流れ、図における下面の薄膜多層電極２に
は四方から中央へと電流が流れることになる。 【００１３】図４は図２に示した各薄膜電極層に流れる
電流の様子を示す図である。同図の（Ｂ）に示すように
各薄膜誘電体層４ａ，４ｂ，４ｃはそれらの上下に存在
する薄膜電極層とともにそれぞれ極めて薄い誘電体共振
器を構成し、それぞれの共振周波数を誘電体板１による
誘電体共振器の共振周波数にほぼ等しくすることによっ
て、上下面の薄膜電極層に流れる電流の向き（位相）が
揃うことになる。これにより（Ａ）に示すように、誘電
体共振器の電流ｉａは薄膜電極層３ａを流れ、薄膜誘電
体層４ａによる共振器の電流ｉｂは薄膜電極層３ａおよ
び３ｂを流れる。同様に薄膜誘電体層４ｂによる誘電体
共振器の電流ｉｃは薄膜電極層３ｂおよび３ｃを流れ、
誘電体層４ｃによる誘電体共振器の電流ｉｄは薄膜電極
層３ｃおよび３ｄを流れる。したがって薄膜電極層３ａ
に流れる合成電流はｉａ−ｉｂ、薄膜電極層３ｂに流れ
る合成電流はｉｂ−ｉｃ、薄膜電極層３ｃに流れる合成
電流はｉｃ−ｉｄとなる。図中の白抜きの矢印はこれら
の合成電流の向きおよび大きさを模式的に表している。
このようにして、誘電体板１の表面部分における電流集
中が緩和され、表層にまで電流が分散されることにな
る。 【００１４】上記誘電体板としては、たとえばその比誘
電率が約４０の誘電体セラミクスを用い、各薄膜電極層
としては、比誘電率が４０より低い誘電体を用いること
によって、各薄膜電極層による誘電体共振器の共振周波
数を誘電体板１による誘電体共振器の共振周波数にほぼ
等しくすることができる。また、各薄膜電極層が誘電体
板または誘電体柱による誘電体共振器の電磁界を完全に
遮蔽することなく、各薄膜電極層と薄膜誘電体層による
誘電体共振器が誘電体板または誘電体柱による誘電体共
振器に結合するように、各薄膜電極層の厚みは共振周波
数における表皮深さと同程度かそれより薄い膜厚とす
る。 【００１５】図５は図４に示した薄膜多層電極の各薄膜
電極層に流れる電流分布と、多層化しない通常の単層電
極を形成した場合の電流分布とを対比して示す図であ
る。同図において、Ｈy はｙ軸方向（紙面に垂直方向）
の磁界、Ｅz はｚ軸方向の電界、ＪZ はｚ軸方向の電流
密度である。（Ｂ）に示すように、単層の電極を形成し
た場合には、表層になるほど指数関数的に電流密度が低
くなり、誘電体板表面で相対的に大きな電流が流れる。
因みに表皮深さ部分で誘電体板表面の１／ｅの電流が流
れることになる。これに対し本願の構成によれば、
（Ａ）に示すように各薄膜電極層部分での電流密度が分
散されて、全体の電流密度の集中が緩和されることにな
る。 【００１６】上記誘電体共振器のＱｏ改善効果の数値例
を次に示す。まずεｒ＝３８、寸法13.2×13.2×3.0 m
m の誘電体セラミクスを誘電体板として用い、σ＝5.0e
7 S/m の導電体材料を電極にして、共振周波数ｆｏ＝
２．６ＧＨｚのＴＭ１１０モード誘電体共振器を構成す
る。この誘電体共振器のＱｏは、上下面の電極によるＱ
をＱcu、側面の電極によるＱをＱcs、誘電体材料のＱを
Ｑd とすれば、１／Ｑｏ＝１／Ｑcu＋１／Ｑcs＋１／Ｑ
d で表される。各面を単層電極とした場合、 Ｑcu＝2143 Ｑcs＝4714 Ｑd ＝20000 であり、Ｑｏ＝1372となる。 【００１７】上下面の電極を、５層の薄膜電極層を有す
る薄膜多層電極とした場合、 Ｑcu＝4286 Ｑcs＝4714 Ｑd ＝20000 であり、Ｑｏ＝2018となり、Ｑｏが約１．４７倍に改善
された。 【００１８】次に第２の実施形態に係る誘電体共振器を
用いた誘電体フィルタの構成を図６〜図８を参照して説
明する。 【００１９】図６は４つの誘電体共振器を組み合わせて
構成した誘電体フィルタの斜視図および部分断面図であ
る。（Ａ）において１１，１２，１３，１４はそれぞれ
図１に示したものと基本的に同様の誘電体共振器であ
り、誘電体共振器１１と１２との対向面にＷ１で示す電
極非形成部（電極削除部）からなる窓を形成している。
誘電体共振器１２と１３との対向面にはＷ２で示す電極
非形成部からなる窓を形成している。さらに誘電体共振
器１３と１４との対向面にはＷ３で示す電極非形成部か
らなる窓を形成している。また、誘電体共振器１１，１
４の端面には同軸コネクタ１５，１６をそれぞれ取り付
けている。これらの誘電体共振器のうち１２，１３の図
における上面および誘電体共振器１１，１４の図におけ
る下面にそれぞれ薄膜多層電極を形成し、他の面には通
常の単層電極をそれぞれ形成している。なお、導体損を
さらに低減するためには、各誘電体共振器のそれぞれの
上下面を薄膜多層電極とすればよいが、この実施形態の
ように、誘電体共振器の上下面に窓Ｗ１，Ｗ３を設ける
場合には、その窓の電極開口縁部分で各薄膜電極層同士
が短絡しないように窓を形成する必要がある。 【００２０】図６の（Ｂ）は誘電体共振器１１に対する
同軸コネクタ１５の取り付け部分の断面図であり、同軸
コネクタ１５の中心導体で結合ループ１７を形成し、こ
れを誘電体共振器１１の誘電体板に穿った穴部分に挿入
している。 【００２１】図７は図６における誘電体共振器１１と１
２間の結合構造を示す断面図である。同図において
（Ａ）はイーブンモードの電界分布、（Ｂ）はオッドモ
ードの電界分布をそれぞれ示している。このように窓Ｗ
１部分の電極が無いと、オッドモードに対して容量成分
が減少するので、オッドモードの共振周波数ｆodd がイ
ーブンモードの共振周波数ｆevenより高くなって、誘電
体共振器１１−１２間が電界結合する。 【００２２】図８は図６に示した誘電体共振器１２と１
３間の結合状態を示す図である。（Ａ）はオッドモード
の磁界分布、（Ｂ）はイーブンモードの磁界分布をそれ
ぞれ示している。このように窓Ｗ２部分の電極が無い
と、インダクタンス成分が増大し、イーブンモードにお
ける共振周波数が低下し、ｆodd ＞ｆevenの関係となっ
て、誘電体共振器１２と１３間が磁界結合する。図６に
示した誘電体共振器１３と１４間は１１と１２間と同様
に窓Ｗ３の存在によって電界結合する。結局図６に示し
た誘電体フィルタは、同軸コネクタ１５→誘電体共振器
１１→１２→１３→１４→同軸コネクタ１６の経路で結
合し、４段の共振器からなる帯域通過フィルタ特性を有
するフィルタとして作用する。 【００２３】上述した例のように、各誘電体共振器の上
下面を薄膜多層電極とすることによって、Ｑｏをたとえ
ば１．４７倍に改善すれば、上記帯域通過フィルタの挿
入損失は１／１．４７倍に低減される。 【００２４】図９は第３の実施形態に係る各種形状を有
する誘電体共振器の斜視図である。第１および第２の実
施形態で示した誘電体共振器は底面が正方形の角柱状の
誘電体板を用いたが、図９の（Ａ）に示すように直方体
形状の誘電体板または誘電体柱を用いてもよく、また
（Ｂ）のように円板形状の誘電体板または円柱形状の誘
電体柱を用いてもよく、さらに（Ｃ）に示すように底面
が五角形以上の多角形状の誘電体板または誘電体柱を用
いてもよく、いずれの場合でもその平面部（上下面）の
電極を薄膜多層電極とすればよい。 【００２５】図１０は第４の実施形態に係る誘電体共振
器の構造を示す図である。（Ａ）の分解斜視図に示すよ
うに、有底の円筒形状のキャビティ２２に円柱形状の誘
電体柱２１を一体成形し、キャビティ２２の開口面に円
板形状の誘電体板２３を接合することによって、（Ｂ）
の断面図に示すように、円柱座標でＴＭ０１０モードの
誘電体共振器を構成し、誘電体板２３の図における上面
とキャビティ２２の図における下面に薄膜多層電極２を
形成し、誘電体板２３の周面とキャビティ２２の周面に
単層電極５を形成する。 【００２６】図１１は第５の実施形態に係る誘電体共振
器の構造を示す図である。（Ａ）は分解斜視図、（Ｂ）
は（Ａ）に示す各部を接合した状態におけるＡ−Ａ部分
の断面図である。このように角筒状のキャビティ２２の
内部に角柱状の誘電体柱２１を一体成形し、キャビティ
２２の２つの開口面に誘電体板２３，２４を接合する。
この場合、キャビティ２２の図における上下面に薄膜多
層電極２を形成し、誘電体板２３，２４の内面に単層電
極５を形成する。 【００２７】次に、第６の実施形態に係る誘電体フィル
タの構成を図１２および図１３を参照して説明する。 【００２８】図１２において１１，１２はそれぞれＴＭ
２重モードの誘電体共振器であり、誘電体板の図におけ
る上下面に薄膜多層電極を形成し、周面に単層電極を形
成するとともに、２つの誘電体共振器の接合面に電極の
無い、窓Ｗを形成している。また、それぞれ内部に結合
ループを有する同軸コネクタ１５，１６を、同一面に並
べて形成している。 【００２９】図１３は図１２に示した誘電体共振器１１
および１２の共振モードと結合状態を示す図であり、破
線の矢印はそれぞれ磁界分布を示す。上記２つの誘電体
共振器１１，１２は、図１３の（Ａ），（Ｂ）で示すよ
うに、縮退モード関係にあるＴＭ１２０モード（以下、
単に「ＴＭ１２モード」という。）とＴＭ２１０モード
（以下、単に「ＴＭ２１モード」という。）でそれぞれ
共振し、図１２に示した同軸コネクタ１５，１６の結合
ループはＴＭ１２モードに磁界結合する。図１３の
（Ｃ）は誘電体共振器１１，１２間の結合状態を示す図
であり、窓Ｗ部分に電極が無いため、ＴＭ２１モード同
士が磁界結合することになる。また誘電体板の角部を削
り取った形状とすることによって、ＴＭ２１モードとＴ
Ｍ１２モードのイーブンモードとオッドモードの共振周
波数に差が生じて縮退が解かれてＴＭ２１モードとＴＭ
１２モードの２つのモード間で結合が生じる。したがっ
て図１２に示した誘電体フィルタは、同軸コネクタ１５
→誘電体共振器１１のＴＭ１２モード→誘電体共振器１
１のＴＭ２１モード→誘電体共振器１２のＴＭ２１モー
ド→誘電体共振器１２のＴＭ１２モード→同軸コネクタ
１６の順に結合して、４段の共振器からなる帯域通過フ
ィルタとして作用する。 【００３０】図１４は第７の実施形態に係る誘電体フィ
ルタの斜視図および断面図である。このように複数の誘
電体板の平面部同士を接合させて多層化するとともに、
対向部分の電極に窓Ｗ１，Ｗ２，Ｗ３を形成して電界結
合させることによって多段化することもできる。この場
合、各誘電体板の平面部の電極をすべて薄膜多層電極と
し、周面を単層電極とすることによって、各誘電体共振
器の導体損を低減させ、挿入損失の少ないフィルタを得
る。 【００３１】 【発明の効果】請求項１に係る発明によれば、薄膜多層
電極の各薄膜電極層に分散して電流が流れ、誘電体板ま
たは誘電体柱表面における電流集中が緩和され、全体の
導体損が低減される。さらには、各薄膜電極層が誘電体
板または誘電体柱による誘電体共振器の電磁界を完全に
遮蔽することなく、各薄膜電極層と薄膜誘電体層による
誘電体共振器が上記誘電体板または誘電体柱による誘電
体共振器に結合することになり、各薄膜電極層における
電流の分散が効率よく行われ、全体の導体損が効果的に
低減される。 さらには、薄膜電極層を流れる電流方向が
誘電体板または誘電体柱による誘電体共振器の電流方向
と同方向（同位相）となって、各薄膜電極層における電
流密度をそれぞれ低減することができ、全体の導体損を
効果的に抑制することができる。 【００３２】 【００３３】
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施形態に係る誘電体共振器の外観斜視
図および断面図である。 【図２】図１に示す誘電体共振器の部分拡大断面図であ
る。 【図３】同誘電体共振器の電磁界分布および電極部分を
流れる電流分布の例を示す図である。 【図４】同誘電体共振器の薄膜多層電極部分に流れる電
流の様子を示す図である。 【図５】同誘電体共振器の薄膜多層電極部分に流れる電
流分布を概念的に示す図である。 【図６】第２の実施形態に係る誘電体フィルタの斜視図
および部分断面図である。 【図７】同誘電体フィルタにおける上下方向の誘電体共
振器間の結合状態を示す図である。 【図８】同誘電体フィルタにおける横方向の誘電体共振
器間の結合状態を示す図である。 【図９】第３の実施形態に係る誘電体共振器の形状を示
す図である。 【図１０】第４の実施形態に係る誘電体共振器の構造を
示す分解斜視図および断面図である。 【図１１】第５の実施形態に係る誘電体共振器の構造を
示す分解斜視図および断面図である。 【図１２】第６の実施形態に係る誘電体フィルタの斜視
図である。 【図１３】同誘電体フィルタの各誘電体共振器の共振モ
ードおよび結合状態を示す図である。 【図１４】第７の実施形態に係る誘電体フィルタの構成
を示す斜視図および断面図である。 【符号の説明】 １−誘電体板 ２−薄膜多層電極 ３−薄膜電極層 ４−薄膜誘電体層 ５−単層電極 １０，１１〜１４−誘電体共振器 １５，１６−同軸コネクタ １７−結合ループ ２１−誘電体柱 ２２−キャビティ ２３，２４−誘電体板
図および断面図である。 【図２】図１に示す誘電体共振器の部分拡大断面図であ
る。 【図３】同誘電体共振器の電磁界分布および電極部分を
流れる電流分布の例を示す図である。 【図４】同誘電体共振器の薄膜多層電極部分に流れる電
流の様子を示す図である。 【図５】同誘電体共振器の薄膜多層電極部分に流れる電
流分布を概念的に示す図である。 【図６】第２の実施形態に係る誘電体フィルタの斜視図
および部分断面図である。 【図７】同誘電体フィルタにおける上下方向の誘電体共
振器間の結合状態を示す図である。 【図８】同誘電体フィルタにおける横方向の誘電体共振
器間の結合状態を示す図である。 【図９】第３の実施形態に係る誘電体共振器の形状を示
す図である。 【図１０】第４の実施形態に係る誘電体共振器の構造を
示す分解斜視図および断面図である。 【図１１】第５の実施形態に係る誘電体共振器の構造を
示す分解斜視図および断面図である。 【図１２】第６の実施形態に係る誘電体フィルタの斜視
図である。 【図１３】同誘電体フィルタの各誘電体共振器の共振モ
ードおよび結合状態を示す図である。 【図１４】第７の実施形態に係る誘電体フィルタの構成
を示す斜視図および断面図である。 【符号の説明】 １−誘電体板 ２−薄膜多層電極 ３−薄膜電極層 ４−薄膜誘電体層 ５−単層電極 １０，１１〜１４−誘電体共振器 １５，１６−同軸コネクタ １７−結合ループ ２１−誘電体柱 ２２−キャビティ ２３，２４−誘電体板
─────────────────────────────────────────────────────
フロントページの続き
(72)発明者 伊勢 智之
京都府長岡京市天神二丁目26番10号 株
式会社村田製作所内
(56)参考文献 特開 平８−242109（ＪＰ，Ａ)
特開 昭63−284902（ＪＰ，Ａ)
(58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名)
H01P 7/10
H01P 7/06
H01P 1/208
H01P 1/20
Claims (1)
- (57)【特許請求の範囲】 【請求項１】 それぞれ多角形または円形の互いに略平
行な平面部を有する誘電体板または誘電体柱の表面に電
極を形成し、前記平面部に垂直な方向に電界成分をもつ
モードで共振する誘電体共振器において、 前記平面部の電極は、薄膜電極層と薄膜誘電体層とが交
互に積層されるとともに、各薄膜電極層の周辺部が短絡
されてなり、薄膜電極層により挟まれる各薄膜誘電体層
が誘電体共振器として作用する薄膜多層電極であり、前記薄膜電極層の厚みを使用周波数帯における表皮深さ
より薄く形成し、 前記各薄膜誘電体層と、各薄膜誘電体層を挟む前記薄膜
電極層とによるそれぞれの共振器の共振周波数を、前記
誘電体板または誘電体柱による誘電体共振器の共振周波
数に略等しくしたこと を特徴とする誘電体共振器。
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