JP3409729B2 - 誘電体共振器装置、送受共用器および通信機 - Google Patents
誘電体共振器装置、送受共用器および通信機Info
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Description
ミリ波帯で用いられる誘電体共振器装置に関するもので
ある。
タや発振器などの誘電体共振器装置の小型化の要請に伴
い、例えば1996年電子情報通信学会総合大会C−1
21「平面回路型誘電体共振器を用いた準ミリ波バンド
パスフィルタ」や、特願平9−101458号「平面回
路型誘電体共振器装置」のような平面回路型の誘電体共
振器装置が開発されている。
を図14および図15に示す。図14はその分解斜視図
である。同図において誘電体板1には、その両主面のそ
れぞれに、互いに対向する3組の矩形状の開口部を有す
る電極を設けている。入出力基板7にはプローブとして
用いるマイクロストリップ線路9,10をその上面に形
成していて、下面には略全面に接地電極を形成してい
る。この入出力基板7にスペーサ11、誘電体板1およ
び蓋6を順次積層することによって1つの誘電体共振器
装置を構成する。図15は上記誘電体板1に構成される
3つの共振器部の電磁界分布を示す図であり、(A)は
誘電体板1の平面図、(B)は3つの電極開口部4a,
4b,4c部分を通る断面図、(C)は誘電体板1の短
辺方向の断面図である。このように誘電体板1を挟んで
対向する、長さL、幅Wの矩形の電極開口部4a,4
b,4cを間隔gをもって形成している。この構造によ
り、電極開口部4a,4b,4cにそれぞれ矩形スロッ
トモードの誘電体共振器を構成し、全体として3段の共
振器からなるフィルタを構成している。
示した従来の誘電体共振器装置においては、誘電体板内
に共振器を構成した平面回路型の装置であるため、全体
に極めて小型化される。ところが矩形スロットモードの
誘電体共振器を用いた従来の装置においては、誘電体板
の両主面に形成した電極の導体損が大きいため、例えば
TE01δモードの誘電体共振器に比べれば無負荷Q
(以下Qoと言う)が高くない。そのため、例えば帯域
通過フィルタを構成した場合に、挿入損失が大きくなる
という問題が生じる。
(電極開口部の幅W)を共振器長(電極開口部の長さ
L)より大きくすることが有効であるが、その場合に
は、基本共振モードに対して電界方向が直交するモード
(電極開口部の幅と長さの方向関係を逆転したモード)
の共振周波数が基本モードの周波数に近づくことにな
り、スプリアス特性が劣化するという問題が生じる。
は、共振器長Lや共振器間隔gなどの構造寸法の変化に
対するフィルタ特性の変化が大きく、このことが量産性
を低下させる要因となる。
振器を用いた装置においては、その磁界や電界に摂動を
与えて共振周波数を調整する際、摂動量が大きいため、
その制御が容易ではなく、このことも量産性を低下させ
る要因となる。
路型の誘電体共振器装置の特性を備えながら、上述した
各種問題を解消した誘電体共振器装置を提供することに
ある。
消するために、この発明では、両主面のそれぞれに、互
いに対向する1組または複数組の略多角形状の開口部を
有する電極を設けた誘電体板と、前記電極の開口部によ
る共振器部に結合して外部から信号を入力する信号入力
部と、前記共振器部に結合して外部へ信号を出力する出
力部とを備えてなる誘電体共振器装置において、前記開
口部のうち、少なくとも1つの開口部の長手方向の長さ
Lを、使用する共振周波数における半波長で規定される
基本共振モードの半波長より長くして、前記基本共振モ
ードの高次モードで共振させる。
共振モードの高次モードで共振することになり、電磁界
分布の節と節の間に無損失の電気壁が構成される。この
電気壁による導体損失が無い分、全体の導体損失が低下
し、共振器のQoが高くなり、フィルタを構成した場合
にその挿入損失が低下する。上記電気壁は、共振次数を
nとすると、n−1個だけ構成されるので、共振次数を
高めるほど全体の導体損失が低下することになる。ただ
しその分、共振器長Lが長くなるため、共振次数nは装
置の小型化との兼ね合いで決定することになる。
は、共振次数が大きくなるに従い、共振器内部への電磁
界エネルギーの閉じ込め効果が高くなるため、共振器長
Lおよび共振器間隔gの変化に対する特性変化が小さく
なる。そのため本願発明によれば量産性が向上すること
になる。
度分布は1つの山を形成するだけであるが、高次モード
ではその次数に応じた数の分布を示すので、電磁界エネ
ルギーの分布に応じて電界または磁界に対する摂動効果
を異ならせることができる。例えば電磁界強度の強い部
分で金属ネジを挿抜ことにより共振周波数の粗調整を行
い、強度の弱い部分で金属ネジの挿抜を行うことによっ
て共振周波数の微調整を行うことが可能となる。
器装置の構成を図1〜図6を参照して説明する。
る。同図において1は誘電体板であり、その両主面のそ
れぞれに、互いに対向する3組の矩形状の開口部を有す
る電極を設けている。7は入出力基板であり、その上面
にプローブとして用いるマイクロストリップ線路9,1
0を形成していて、下面には略全面に接地電極を形成し
ている。11は金属製の枠状のスペーサであり、入出力
基板7にスペーサ11を重ね、その上に誘電体板1を載
置することによって、入出力基板7と誘電体板1との間
に所定の間隔を設ける。なお、スペーサ11のマイクロ
ストリップ線路9,10に対向する部分には、マイクロ
ストリップ線路9,10を短絡しないように、切欠を形
成している。6は金属製の蓋であり、スペーサ11の上
に被せることによって、誘電体板1の周囲を電磁遮蔽す
る。
共振器部の電磁界分布を示す図であり、(A)は誘電体
板1の平面図、(B)はそれぞれ対向する3つの電極開
口部を通る断面図、(C)は誘電体板1の短辺方向の断
面図である。このように誘電体板1を挟んで対向する、
長さL、幅Wの矩形の電極開口部4a,5a,4b,5
b,4c,5cを間隔gをもって形成している。この構
造により、電極開口部4a,5a,4b,5b,4c,
5cがそれぞれ矩形スロットモードの誘電体共振器とし
て作用し、隣接する共振器間が磁界結合する。また、マ
イクロストリップ線路9は電極開口部4a,5aの共振
器と磁界結合し、マイクロストリップ線路10は電極開
口部4c,5cの共振器と磁界結合する。これにより、
全体として3段の共振器からなるフィルタを構成してい
る。
振周波数は共振器長L、共振器幅W、および誘電体板1
の厚さと誘電率によって定まる。この例では共振器長L
を基本共振モード共振器における共振器長の略2倍、す
なわち使用する共振周波数における1波長に略等しく定
めている。このことにより同図の(A),(B)に示す
ように2次の高次モード(以下2倍モードという。)の
共振器が構成され、共振器長Lの中央部分に電気壁が生
じることになる。(A)中の実線の矢印は電気力線、
(B)中の破線は磁力線をそれぞれ示している。このよ
うに電磁界が分布するため、電極開口部周縁部の短辺部
分に電流が流れ、その部分で導体損失が生じるが、中央
の電気壁部分には導体が存在しないため、その部分では
導体損失が発生しない。その結果、全体の導体損失が低
減され、Qoの高い誘電体共振器が得られる。
ドに比べて電磁界エネルギーの閉じ込め効果が高いた
め、共振器長L、共振器間隔gの変化に対するフィルタ
特性の変化が基本共振モードを用いた場合に比べて小さ
くなり、誘電体板1に対する電極2,3の寸法精度がそ
れほど高くなくても、安定した特性が得られる。
4b,25b,24c,25cはそれぞれ共振器の共振
周波数調整用ネジであり、24a,24b,24cはそ
れぞれ共振器長Lの中央部分の電気壁部分に相当する位
置に設けている。また、25a,25b,25cは共振
器長Lの端部付近にそれぞれ設けている。共振周波数調
整用ネジ24a,24b,24cは磁界エネルギー密度
の高い箇所にあるため、その挿抜により各共振器の磁界
に対して大きな摂動を与えて、共振周波数を粗調整する
ことができる。一方、共振周波数調整用ネジ25a,2
5b,25cは磁界エネルギー密度の低い箇所にあるた
め、その挿抜により各共振器の磁界に対して小さな摂動
を与えて、共振周波数を微調整することができる。この
ように粗調整と微調整を組み合わせることによって、共
振器の共振周波数を広範囲に亘って調整でき、且つ微調
整も可能となる。そのため生産性が向上する。
ドという。)の共振器と2倍モードの共振器について、
いくつかの共振器幅Wにおける無負荷Qを示している。
このように共振器幅Wにかかわらず高い無負荷Qが得ら
れる。この共振器を中心周波数を40GHz、比帯域幅
2%の帯域通過フィルタとした場合、2倍モード使用時
は基本モード使用時に比べて挿入損失は約20%改善さ
れる。
共振器について、共振器長Lを変化させた時の共振周波
数の変化量を示している。また、図5は共振器間隔gの
変化量に対する結合係数の変化量を示している。これら
の結果から明らかなように、2倍モードの共振器は基本
モードの共振器に比べて、共振器長Lの変化に対する共
振周波数変化、および共振器間隔gの変化に対する結合
係数の変化が小さい。
共振器について、共振周波数調整用ネジの挿入量に対す
る共振周波数の変化量の関係を示している。基本モード
の共振器においては、共振器の中央部分に共振周波数調
整用ネジを挿入した場合について示している。同図に示
すように2倍モードの共振器では中央に挿入する共振周
波数調整用ネジの挿入量に対する共振周波数変化量は大
きく、共振器の端部付近に挿入する共振誘電体調整用ネ
ジの挿入量に対する共振周波数変化量は小さい。
の異なる例を図7に示す。図7は誘電体板の平面図であ
り、共振器幅の異なった共振器を混在させた例を示して
いる。各共振器の所要の特性に応じて共振器長Lととも
に共振器幅W1,W2を定めればよいが、特に(B)に
示すようにプローブと結合する1段目と3段目の共振器
の共振器幅W1を広くすれば、エネルギー閉じ込め効果
の高い2倍モードの共振器でありながら、プローブとの
結合を高めることができる。
混在させた例を示している。各段の共振器は、要求され
る特性に応じて共振器長L1,L2等を定めればよい
が、特に(A)または(C)に示すように、プローブと
結合する1段目または3段目の共振器については、共振
器長L1を、使用する共振周波数における略半波長とす
る共振器、すなわち基本共振モードの共振器とすれば、
プローブと強く結合させることができ、外部回路との結
合が容易となる。すなわち基本共振モードは高次の共振
モードに比べて電磁界の閉じ込め性が低いため、誘電体
板とプローブとがある程度離れていても所定の結合度が
得られる。
なった共振器を混在させた例である。この場合も各共振
器の所要の特性に応じて、また、プローブとの結合度等
に応じて共振器長L1,L2等とともに共振器幅W1,
W2等を定めればよい。
を矩形としたが、この電極開口部を他の形状にした例を
図10および図11に示す。図10および図11におい
て、それぞれ(A)は誘電体共振器装置の分解斜視図、
(B)はその誘電体板の平面図である。図10の例で
は、電極開口部4a,4b,4cを、矩形の四隅の角を
落とした多角形状としている。図11の例では、電極開
口部4a,4b,4cを、矩形の四隅に丸み(R形状)
をもたせた形状としている。その他の構成は図1および
図2に示したものと同様である。
角を落とした多角形状としたり、矩形の四隅に丸みをも
たせた形状とすれば、上記四隅部分での電流集中が緩和
されQoが改善される。また、主モードとスプリアスモ
ードとの離調度を、四隅の角の落とし方やR形状の付け
方により調節できるため、フィルタの減衰特性が改善で
きる。
電極開口部の四隅を落として八角形状にしたが、その他
の多角形状としてもよい。また、図11に示したよう
に、隅部分にR形状を有するものも本発明における「略
多角形」に含まれるものである。
用器に適用した例を図12に示す。同図において、1は
誘電体板であり、その両主面のそれぞれに、互いに対向
する10組の矩形状の開口部を有する電極を設けてい
る。41a〜41e,42a〜42eは上面の電極開口
部である。7は入出力基板であり、その上面にプローブ
として用いるマイクロストリップ線路9,10,12を
形成していて、下面には略全面に接地電極を形成してい
る。11は金属製の枠状のスペーサであり、入出力基板
7にスペーサ11を重ね、その上に誘電体板1を載置す
ることによって、入出力基板7と誘電体板1との間に所
定の間隔を設ける。スペーサ11のマイクロストリップ
線路9,10に対向する部分には、マイクロストリップ
線路9,10を短絡しないように、切欠を形成してい
る。6は金属製の蓋であり、スペーサ11の上に被せる
ことによって、誘電体板1の周囲を電磁遮蔽する。
それらに対向する下面の電極開口部とによって構成され
る5つの誘電体共振器は隣接する誘電体共振器同士が順
次結合して、5段の共振器からなる帯域通過特性を有す
る受信フィルタを構成する。同様に、電極開口部42a
〜42eとそれらに対向する下面の電極開口部とによっ
て構成される5つの誘電体共振器は帯域通過特性を有す
る送信フィルタを構成する。
の端部は受信フィルタの受信信号出力ポート(Rxポー
ト)として用い、マイクロストリップ線路10の端部は
送信フィルタの送信信号入力ポート(Txポート)とし
て用いる。マイクロストリップ線路12は分岐回路を構
成していて、その端部はアンテナポートとして用いる。
この分岐回路は、分岐点から受信フィルタの等価的短絡
面までの電気長が送信周波数の波長で1/4波長の奇数
倍、分岐点から送信フィルタの等価的短絡面までの電気
長が受信周波数の波長で1/4波長の奇数倍の関係とな
るようにして、送信信号と受信信号の分岐を行う。
ルタとの間を分離する仕切りを設けている。また図には
表れていないが、蓋6の下面にも受信フィルタと送信フ
ィルタとの間を分離する仕切りを設けている。さらに、
入出力基板7のスペーサ11を接合する箇所には、入出
力基板の上下面の電極を導通させる複数のスルーホール
を設けている。この構造によって、受信フィルタと送信
フィルタとのアイソレーションを確保している。
配列する場合でも、本願発明によれば、挿入損失の低い
送受信共用器が得られる。
機の実施形態に係る図である。ここで、46aは上記受
信フィルタ、46bは上記送信フィルタであり、46は
アンテナ共用器を構成している。同図に示すように、ア
ンテナ共用器46の受信信号出力ポート46cに受信回
路47を、送信信号入力ポート46dに送信回路48を
それぞれ接続し、アンテナポート46eにアンテナ49
を接続することによって、全体として通信機50を構成
する。
モードの高次モードで共振することになり、電磁界分布
の節と節の間に無損失の電気壁が構成されるため、この
電気壁による導体損失が無い分、全体の導体損失が低下
する。その結果、共振器のQoが高くなり、フィルタを
構成した場合にその挿入損失が低下する。
化に対する特性変化が小さくなるため、電極形成寸法精
度があまり高くなくてもよく、生産性が向上する。
応じて電界または磁界に対する摂動効果を異ならせるこ
とができるので、電磁界密度分布の高い部分と低い部分
とに独立して摂動を与えることによって、共振周波数の
粗調整と微調整を行うことが可能となる。
部を矩形状にすることにより、誘電体板に対して、電極
開口部のパターンを容易に形成することができ、所定共
振周波数の共振器が得やすい。
部または信号出力部に結合する共振器部の電極開口部の
幅を広くすれば、エネルギー閉じ込め効果の高い高次モ
ードの共振器でありながら、信号入力部または信号出力
部との結合を高めることができる。
部または信号出力部に結合する共振器部を基本共振モー
ドの共振器部とすることによって、信号入力部または信
号出力部との結合を高めることができる。
体共振器装置を送信フィルタと受信フィルタとして用
い、送信フィルタを送信信号入力ポートと入出力ポート
との間に設け、受信フィルタを受信信号出力ポートと入
出力ポートとの間に設けることによって、挿入損失の低
い送受共用器が得られる。
受共用器の送信信号入力ポートに送信回路を接続し、送
受共用器の受信信号出力ポートに受信回路を接続し、送
受共用器の入出力ポートにアンテナを接続することによ
って、高周波回路部分での損失の少ない高効率な通信機
が得られる。
斜視図
図
の共振器幅と無負荷Qとの関係を示す図
の共振器長変化量に対する共振周波数変化量の関係を示
す図
て、共振器間隔の変化量に対する結合係数の変化量の関
係を示す図
て、共振周波数調整用ネジの挿入量に対する共振周波数
変化量の関係を示す図
板の構成を示す平面図
板の構成を示す平面図
板の構成を示す平面図
斜視図および誘電体板の平面図
斜視図および誘電体板の平面図
視図
磁界分布の例を示す図
Claims (8)
- 【請求項1】 両主面のそれぞれに、互いに対向する1
組または複数組の略多角形状の開口部を有する電極を設
けた誘電体板と、前記電極の開口部による共振器部に結
合して外部から信号を入力する信号入力部と、前記共振
器部に結合して外部へ信号を出力する出力部とを備えて
なる誘電体共振器装置において、 前記開口部のうち、少なくとも1つの開口部の長手方向
の長さLを、使用する共振周波数における半波長で規定
される基本共振モードの半波長より長くして、前記基本
共振モードの高次モードで共振させることを特徴とする
誘電体共振器装置。 - 【請求項2】 前記開口部を矩形状にしたことを特徴と
する請求項1に記載の誘電体共振器装置。 - 【請求項3】 前記開口部を複数個配列して、これらの
開口部による共振器部同士を結合させるとともに、互い
に幅Wの異なる複数組の開口部を設けたことを特徴とす
る請求項1または2に記載の誘電体共振器装置。 - 【請求項4】 前記開口部を複数個配列して、これらの
開口部による共振器部同士を結合させるとともに、前記
基本共振モードで共振する共振器部と前記高次モードで
共振する共振器部とを混在させたことを特徴とする請求
項1、2または3に記載の誘電体共振器装置。 - 【請求項5】 前記信号入力部または前記信号出力部に
結合する共振器部の開口部の幅Wを他の共振器部の開口
部の幅より広げたことを特徴とする請求項3に記載の誘
電体共振器装置。 - 【請求項6】 前記信号入力部または前記信号出力部に
結合する共振器部を前記基本共振モードで共振する共振
器部としたことを特徴とする請求項4に記載の誘電体共
振器装置。 - 【請求項7】 請求項1〜6のうちいずれかに記載の誘
電体共振器装置を、送信フィルタおよび受信フィルタと
して用い、前記送信フィルタを送信信号入力ポートと入
出力ポートとの間に設け、前記受信フィルタを受信信号
出力ポートと前記入出力ポートとの間に設けたことを特
徴とする送受共用器。 - 【請求項8】 請求項7に記載の送受共用器の送信信号
入力ポートに送信回路を接続し、前記送受共用器の受信
信号出力ポートに受信回路を接続し、前記送受共用器の
入出力ポートにアンテナを接続して成る通信機。
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