JP3484466B2 - 空洞共振器 - Google Patents

空洞共振器

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JP3484466B2 JP50003294A JP50003294A JP3484466B2 JP 3484466 B2 JP3484466 B2 JP 3484466B2 JP 50003294 A JP50003294 A JP 50003294A JP 50003294 A JP50003294 A JP 50003294A JP 3484466 B2 JP3484466 B2 JP 3484466B2
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ポセイドン・サイエンティフィック・インストルメンツ・プロプライエタリー・リミテッド
ザ・ユニヴァーシティ・オヴ・ウェスタン・オーストラリア
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    • H01P7/10—Dielectric resonators

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Description

【発明の詳細な説明】 技術分野 本発明は、空洞共振器（マイクロ波共振器とも記載す
る）に関する。
最近のレーダー及び遠距離通信システムは、厳しい性
能上の要求と極めて優れたスペクトル純度を有する高周
波信号源と信号処理システムを必要としている。
従って、スペクトル純度、安定性、及び電力制御の要
求条件を益々向上させた信号処理システムと信号源に対
する必要性が存在している。
共振器は、固有の性質として、希望しない信号から希
望する信号を識別する。生成された信号の純度と安定性
は、周波数決定装置として使用している共振器と直接関
係し、これはそのＱ、電力制御能力と振動及び温度と関
連する影響に対するその不感性によって決まる。
誘導材料片は、その誘電定数と物理的な寸法によって
決まる電磁スペクトル内における自己共振モードを有し
ていることが知られている。誘電材料片の所定のモード
のスペクトル特性は、この誘電材料の固有の特性、その
幾何学的形状、そのモードの放射パターンと、この誘電
材料を取り囲んでいるまたはこれの近傍の材料の特性と
寸法によって決まる。
従来技術の共振器は、伝統的に誘電材料を含んでいな
い金属空洞、または誘電材料を含んでいる金属空洞を利
用し、これらの空洞のＱは、金属空洞の特性によって限
定され、従ってより優れたＱを得るため、極低温度で動
作されていた。しかし、極低温度を保持するには、携帯
用または小型の装置に内蔵することが面倒で、困難な装
置が必要とされる。
発明の開示 本発明は、既存の従来技術による共振器に対して改善
されたＱを提供しながら、周辺温度に近い温度で動作す
ることのできるマイクロ波共振器を提供するものであ
る。
本発明の１つの側面によれば、所望の周波数と特定の
温度に於いて所望のモードで動作し、導電性のある内面
を有し、ほぼ円筒形で損失の小さい誘電材料片を含む、
少なくとも部分的にはほぼ円筒形の壁部によって形成さ
れた空洞を有するマイクロ波共振器を製作する方法が提
供され、上記の方法は、 （１）所定の寸法のほぼ円筒形の損失の小さい第１誘電
材料片を製作し、該第１誘電材料片を空洞内に置いてマ
イクロ波共振器を製作するステップと、 （２）マイクロ波を上記空洞内に放射するステップと、 （３）上記の特定の温度に於いて上記の所望の動作モー
ドに対応する上記の第１片からの初期出力周波数を検出
して測定するステップと、 （４）上記初期出力周波数と上記の所望の出力周波数の
間の比に従って上記第１誘電材料片を縮小または拡大し
て、ほぼ円筒形の第２誘電材料片を製作するステップ
と、 （５）上記空洞の寸法と実質的に似た寸法を有するが、
上記の所望の出力周波数により近い出力周波数を得るた
めに上記の第２片の製作時の精度誤差を補償するように
直径及び／または高さを変更した別の空洞を製作するス
テップと、 （６）上記第２片を上記の別の空洞内に置いて上記の所
望のモードと上記の所望の周波数で動作する上記マイク
ロ波共振器を製作するステップと、 によって構成される。
図面の簡単な説明 本発明を、添付図を参照して実施例によって説明す
る。
第１図は、本発明の第１実施例によるマイクロ波共振
空洞の線Ａ−Ａに沿った底面図及び側部断面図である。
第２図は、本発明の第２実施例によるマイクロ波共振
空洞の線Ａ−Ａに沿った底面図及び側部断面図である。
第３図は、本発明の第３実施例によるマイクロ波共振
空洞の線Ａ−Ａに沿った底面図及び側部断面図である。
第４図は、本発明の第４実施例によるマイクロ波共振
空洞の線Ａ−Ａに沿った底面図及び側部断面図である。
第５図は、本発明の第５実施例によるマイクロ波共振
空洞の側面図である。
第６図は、本発明によるマイクロ波共振器の側面図で
ある。
第７図は、第６図に示すマイクロ波共振器の平面図で
ある。
第８図は、マイクロ波共振器で使用する温度制御装置
の概略ブロック図である。
第９図は、マイクロ波共振器で使用する他の温度制御
装置の概略ブロック図である。
第10図は、誘電材料片の半径と空洞の壁部の半径の比
が変化する場合、種々のTM（Ｎ、１、ｄ）モードでＮが
１と５の間で動作するマイクロ波共振器内の損失を示す
グラフである。
第11図は、誘電材料片の半径と空洞の壁部の半径の比
が変化する場合、種々のTE（Ｎ、１、ｄ）モードでＮが
２と６の間で動作するマイクロ波共振器内の損失を示す
グラフである。
第12図は、誘電的に負荷を加えたTM（５、１、ｄ）モ
ードで動作するマイクロ波共振空洞の電磁界強度のプロ
ットを示す。
第13図は、誘電的に負荷を加えたTE（６、１、ｄ）モ
ードで動作するマイクロ波共振空洞の電磁界強度のプロ
ットを示す。
第14図は、10GHzで動作するサファイアを用いたマイ
クロ波共振空洞（TM（５、１、ｄ））の周波数に対する
共振器の摂氏で示す動作温度の変化を示すグラフであ
る。
第15図は、空洞の半径と誘電材料の半径の比と、共振
器の動作周波数及びTM（５、１、ｄ）モードで動作する
共振器用の共振システムの損失要素との間の関係を示す
グラフである。
第16図は、空洞と誘電材料の高さの比と、TM（５、
１、ｄ）モードで動作する共振空洞用の共振システムの
損失要素との間の関係を示すグラフである。
第17図は、空洞と誘電材料の高さの比と、共振器の動
作周波数及びTM（８、１、ｄ）モードで動作する共振空
洞用の共振システムの損失要素との間の関係を示すグラ
フである。
第18図は、空洞の半径と誘電材料の半径の比と、共振
器の動作周波数及びTM（５、１、ｄ）モードで動作する
共振器用の共振システムの損失要素との間の関係を示す
グラフである。
第19図は、空洞の半径と誘電材料の半径の比と、共振
器の動作周波数及びTM（７、１、ｄ）モードで動作する
共振器用の共振システムの損失要素との間の関係を示す
グラフである。
第20図は、空洞の半径と誘電材料の半径の比と、共振
器の動作周波数及びTE（７、１、ｄ）モードで動作する
共振器用の共振システムの損失要素との間の関係を示す
グラフである。
本発明の説明 添付図の第１図は、本発明によるマイクロ波共振空洞
10を示す。このマイクロ波共振空洞10は、円筒形の壁部
12、円形のベース14と円形の蓋部16によって構成され
る。
この円筒形の壁部12内には、多数のマイクロ波ポート
18が設けられる。これらのポート18の数は、使用しよう
と意図しているマイクロ波共振空洞10の用途によって決
まる。これらのマイクロ波ポート18は、マイクロ波を空
洞10内に供給し、この空洞10からマイクロ波を受け取る
ための手段として機能する。円筒形の壁部12の中には、
孔26が形成され、これによって空洞10をとりつける手段
が提供される。
ベース14と蓋部16の各々には、軸方向の凹部20と環状
の溝21が含まれている。軸方向の凹部20と円筒形の壁部
12は同軸に位置合わせされている。環状の溝21にはイン
ジウム・ガスケットのようなガスケットが取り付けら
れ、これによって円筒形の壁部12とベース14と蓋部16の
間の熱伝導性を改善している。
図１の上部の図は、ベース14の下面図を示す。しか
し、この図は蓋部16にも同様に適応可能であると理解さ
れるべきである。ベース14には、複数の孔27とスロット
28が設けられ、これらの孔27は円状に配置されている。
これらの孔27は、ボルトのようないずれかの都合の良い
手段でベース14を円筒形の壁部12に取り付けるためのも
のである。これらの放射状のスロット28によって、空洞
10内での希望しないモードを阻止することができる。放
射状のスロット28の数は、空洞10において作動させよう
としている共振モードによって決まる。
円筒状の壁部12は、空洞10を冷却手段に取り付けるた
めの面25を有している。マイクロ波のプローブをポート
18内に容易に取り付けるための平坦な表面23が、各ポー
ト18に対して設けられている。
共振空洞10は、一般的に円筒形の誘電材料片22を有し
ている。この誘電材料片22には、その円筒の平坦な端部
のそれぞれに、これと一体の軸方向のスピンドル24が設
けられている。これらのスピンドル24もまた、誘電材料
22によって形成されている。これらのスピンドル24は、
蓋部16とベース14の凹部20内に収容されるように設計さ
れている。従って誘電材料片22は、円筒形の壁部12に対
して同軸に、蓋部16とベース14の間に保持される。
第２図、第３図及び第４図は、図１に示すマイクロ波
共振空洞の他の実施例を示し、ここで同一の参照番号は
同一の部分を示す。
第２図は、本発明によるマイクロ波共振空洞30の第２
実施例を示し、これは左側のセクション32と右側のセク
ション34によって構成される。各セクション32と34は、
半円筒形の内面31を有している。半円形の断面を有する
ロッド36がセクション32の平坦な両端部から空洞10に対
して内側に延び、自由端で終了している。半円形の断面
を有するロッド38がセクション34の平坦な両端部から空
洞10に対して内側に延び、自由端で終了している。
ロッド36はセクション32と一体に形成され、ロッド38
はセクション34と一体に形成されている。これらのロッ
ド36と38は円筒面31と同軸に位置合わせされ、各ロッド
36は対応するロッド38と連続している。ロッド36と38の
各対の自由端は、その中に形成された軸方向の凹部40を
有している。
誘電材料片22のスピンドル24は、ロッド36と38の凹部
40の中に収容されている。従って、誘電材料22は、円筒
面31と同軸にロッド36と38の間に保持されている。
第１図に示す実施例の蓋部16、ベース14と円筒形の壁
部12の代わりにセクション32と34を使用することによっ
て、空洞30内の希望しないモードを更に抑制すると共
に、誘電材料片22から冷却手段への熱伝導を改善する。
第３図は、本発明によるマイクロ波共振空洞50の第３
実施例を示し、これは蓋部52とベース54によって構成さ
れる。ベース54は、円筒形の壁部64と一体に形成されて
いる。円形の断面を有する同軸のロッド56と58は、それ
ぞれ蓋部52とベース54から空洞50内に延び、自由端で終
了している。ロッド56は蓋部52と一体に形成され、ロッ
ド58はベース54と一体に形成されている。誘電材料片22
の上部と底部には、軸方向の凹部60が形成されている。
ロッド56と58は、この誘電材料片22の軸方向の凹部60内
に収容され、誘電材料片22を円筒形の壁部64と同軸に保
持している。各ロッド56と58には、軸方向のベント62が
形成されている。
この軸方向のベントは、空洞50を排気する場合、空気
が軸方向の凹部60内で捕捉されるのを防止する。
円筒形の壁部64は、蓋部52との良好な接触を得るため
の環状の突起部68を有している。突起部68、蓋部52と円
筒形の壁部64の間に、空間66が形成される。この空間66
は、ガスケットを収容するように設計されており、これ
によって円筒形の壁部64と蓋部52の間で良好な熱接触を
保証する。
第４図は、本発明によるマイクロ波共振空洞70の第４
実施例を示し、これは蓋部72と平坦な端部を有するベー
ス74によって構成される。ベース74は、円筒形の壁部82
と一体に形成されている。このベース74の平坦な端部か
ら空洞70内に延びているのは、同軸の円筒形のロッド76
である。このロッド76は十分な長さを有して蓋部72を通
って延び、図示のようにこの蓋部72と一体になるように
形成されている。孔80が、ロッド76を通って延びる。こ
の孔80によって、誘電材料片22に接近してロッド76内に
温度プローブを設置することが可能になる。
誘電材料片22は、その中に形成された軸方向の円筒形
の孔78を有する。この誘電材料片22は、第４図に示すよ
うにロッド76上に懸垂されるように設計してある。誘電
材料片22の円筒形のロッド76に対する懸垂は、以下の手
段の１つによって行われる。まず、誘電材料片22内に形
成される軸方向の円筒形の孔78は、その直径が円筒形の
ロッド76の直径よりも僅かに小さい。円筒形のロッド76
を低温に冷却することによってこの円筒形のロッド76を
熱的に収縮させ、これによって誘電材料22を円筒形のロ
ッド76上の所定の位置に設置することが可能になる。円
筒形のロッド76が周辺温度に戻るのに従って、このロッ
ドは熱効果によって膨張し、従って誘電材料片22をその
長さ方向に沿って保持する。
または、誘電材料片22内の孔78を金属材料で鍍金して
もよい。そして、この誘電材料片22をロッド76に溶接ま
たは鑞付けすることができる。
本発明の空洞10、30、50及び70内のスロット28は、こ
の空洞内の希望しないモードを抑制するように設計され
ている。スロット28は、所望の動作モードと干渉しない
空洞の蓋部の周囲の位置に取り付けられている。これ
は、所望の動作モードに於ける電磁エネルギーの集中度
の低い位置に対応している。希望しないモードの多くは
これらの位置にかなりの量のエネルギーを有し、従って
スロット28はこれらのモードに対する抑制装置として機
能する。スロット28の効果は、所望の動作モードに関し
ては空洞に放射を行わせないようにし、大部分の好まし
くないモードに関しては放射を行わせるようにすること
である。従って、スロット28は、共振器内の希望しない
モードの密度を低減するのに役立つ。
マイクロ波共振空洞内の損失の１つは、誘電材料内の
電磁界の散逸によるものである。この散逸によって誘電
材料内に熱が蓄積する。大部分の誘電材料は、温度によ
って決まる共振周波数を有している。即ち、誘電材料の
共振周波数は、温度が変化するのに従って変化する。従
って、動作中の誘電材料に温度変化を生じさせるのは好
ましくない。この理由のため、誘電材料内の電磁界の散
逸の結果生じるこの誘電材料内の熱の蓄積をなくす必要
がある。従って、本発明のマイクロ波共振空洞の蓋部、
円筒形の壁部及びベースを良好な熱伝導性を有する材料
によって形成することが好ましい。
本発明の共振空洞の蓋部、ベース及び壁部を高い熱伝
導性を有する材料から製作することによって、空洞をい
ずれかの都合のよい手段によって冷却することが可能に
なる。しかし、誘電材料と空洞のベースと蓋部との間の
熱伝導には、かなりの時間を要するという固有の問題が
残っている。従って、空洞の設計によって熱ができるだ
け効率的に伝導されることを保証することが好ましい。
第１図に示すマイクロ波共振空洞10は、誘電材料片22
が蓋部16とベース14の間で確実に保持されているため、
優れた耐機械的振動性を与えているが、この空洞10の熱
的特性は比較的不十分である。これは、スピンドル24が
誘電材料片22の円筒部分と比べて比較的長くかつ細いた
めである。従って、スピンドル24は実際上熱インピーダ
ンスが非常に高く、このため誘電材料片22の円筒部分か
ら蓋部16とベース14への熱の伝導が遅くなっている。
第１図のスピンドル24の大部分を蓋部32とベース34と
同じ材料で製作したロッド36と38によって取り替えるこ
とにより、第２図に示すマイクロ波共振空洞30は熱特性
を改善している。従って、スピンドル24は比較的小型で
あり、主として誘電材料片22を円筒形の壁部24と同軸に
保持する目的のために設けられている。
第３図に示すマイクロ波共振空洞50によって、更に改
善を行うことができる。ここでは、ロッド56と58が誘電
材料片22内に延び、従ってスピンドルの必要性をなくし
ている。更に、ロッド56と58及び誘電材料22の間の熱伝
導性が改善されているが、その理由は、ロッドが誘電材
料片22内に延び、従って放散すべき熱により接近してい
るからである。マイクロ波共振空洞50によれば更に良好
な耐機械的振動性が与えられるが、これは誘電材料22が
ロッド56と58の間で保持されるからである。
第４図に示すマイクロ波共振空洞70によって、第１図
ないし第４図に示す４つの実施例の中で最も優れた熱放
散が行われる。これは、誘電材料片22全体を介して延び
るロッド76が存在しているためである。従って、誘電材
料からの熱はロッド76に直接伝導され、これによって熱
を可能な限り最大限放散することができる。しかし、誘
電材料は純粋に熱膨張によってロッド76上に懸垂されて
いるので、マイクロ波共振空洞70は第１、２及び３図に
示すマイクロ波共振空洞と同様の耐機械的振動性を与え
ることはできない。
第５図は、本発明によるマイクロ波共振空洞90の第５
実施例を示し、これは円筒形の壁部92、ベース94と蓋部
96によって構成される。蓋部96は内部及び外部の同心で
環状のセクション98を有し、これらは図示のように離れ
て位置している。また、円筒形の壁部92はその上端部及
び下端部から離れた外部セクション100を有している。
セクション98はが設けられているので、これによって、
共振空洞90を極低温で動作するときに、熱収縮と熱膨張
が可能になる。セクション100が設けられているので、
ナイフ・エッジ効果によって、円筒形の壁部92と蓋部96
とベース94の間で電気的接触が得られる。
共振空洞90は、係止手段102、第１環状突起部104、第
２環状突起部106、及び内部と外部の同心で円筒状の誘
電材料片108と110によって更に構成される。係止手段10
2は、蓋部96を軸方向に貫通してねじのようないずれか
の都合のよい手段によってベース94と係合するように設
計する。係止手段102は、円筒形の壁部92との間でベー
ス94と蓋部96を所定の位置に保持し、また突起部104と1
06の間で誘電材料片108と100を保持する。
突起部104は共振空洞90内に延び、ほぼ長方形の断面
を有する環状の形状を有する。共振空洞に対して最も内
部に延びている突起部104の角には切り欠いた部分があ
り、この中に誘電材料片を収容している。この突起部10
4は蓋部96と一体に形成され、この蓋部96と同軸であ
る。突起部106はベース94と一体に形成され、これ以外
は突起部104と全く同じである。誘電材料片108と110
は、その長さ全体が実質的に一定の厚さになっている。
しかし、円筒の各端部では、誘電材料108と110の厚さ
は、薄くなっている。誘電材料片108と110を空洞内に設
置して突起部104と106の間に保持すると、これらの２つ
の誘電材料片108と110の間にギャップが形成される。誘
電材料片108と110の厚さが薄くなっている突起部104と1
06に近接した端部では、より広いギャップ114が形成さ
れる。このギャップ114の機能は、遮断周波数以下で動
作する導波管として存在することによって、マイクロ波
のエネルギーに対する電磁インピーダンスを実質的に増
加させ、これをギャップ114の間に閉じこめることであ
る。
ギャップ112の機能は、誘電材料片108と110を形成し
ている誘電材料内の損失の影響を削減することである。
添付図の第12図は、TM（５、１、ｄ）モードで動作す
る誘電材料内の電磁界の分布を模式的に示す。暗領域は
電磁放射の高い濃度を示し、明領域は電磁放射の低い濃
度を示す。空洞の境界は黒線「Ｃ」で示す。誘電材料の
境界は黒線「Ｄ」で示す。上の図は誘電材料の平面図を
示す。下の図は誘電材料の側面図を示す。第12図から分
かるように、大部分の電磁放射は誘電材料内に含まれて
いる。この誘電材料の中心内には無視可能な程度の電磁
放射しか存在しないことにまた留意しなければならな
い。従って、共振器の動作を妨げることなく中心の誘電
材料を取り除くことが可能である。
第13図は、TE（６、１、ｄ）モードで動作する誘電材
料内の電磁界の分布を模式的に示す。誘電材料の境界は
黒線「Ｄ」で示す。図から分かるようにより多くのモー
ドを収容するには、同じ周波数の電磁放射に対して誘電
材料片の寸法を大きくしなければならない。また、より
多くの電磁放射が誘電材料内に含まれている。
第12図と第13図を検討すると、大部分の電磁放射は比
較的狭い環状部分に含まれていることが明らかになる。
従って、２つの同心の誘電材料の円筒を形成し、これら
の円筒の間の空間が自由空間になることを可能にしなが
ら、電磁放射をこれらの円筒に含めることが可能であ
る。自由空間は電磁放射にとって損失を生じない媒体で
あることがよく知られている。従って、誘電材料片108
と110は、本発明の他の実施例の他の空洞に対するのと
同様の方法で電磁放射を閉じこめるのに役立つが、ギャ
ップ112によって、これらの空洞と関連する損失を実質
的に低減することが可能になる。これは、大部分の電磁
放射が損失を生じない媒体であるギャップ内に閉じこめ
られるからである。従って、共振空洞90のＱは本発明の
他の実施例のＱよりも優れている。
ギャップ112と114に適当な材料を充填してメーザー
（MASER）の機能を可能にすることがまた考えられる。
このような適当な材料は、例えば、ルビジウム・ガスま
たは励起水素ガスである。
マイクロ波共振空洞の性能は、主としてこのマイクロ
波共振空洞と誘電材料片22の形状によって決まる。特
に、以下の寸法が共振器の性能に関係していることが分
かっている。すなわち、 ａ）誘電材料片22の直径、 ｂ）誘電材料片22の高さ、 ｃ）誘電材料片22の直径と円筒形の壁部12の内面の直径
の比、及び ｄ）誘電材料片22の高さと円筒形の壁部12の高さの比で
ある。
更に、誘電共振器のＱは、誘電材料内の電磁界の散
逸、周囲の空間への電磁界の放射、及び空洞の壁部内で
の散逸による損失によって決まる。
放射損失は、一定の放射モードで減少することが知ら
れている。多数の電磁界モードの中で放射損失の削減に
とって最も好都合なモードの１つは、「ささやきの回
廊」モードとして知られているグループである。これら
のモードの場合、電磁界の大部分は、誘電材料内に含ま
れ、放射損失が減少する。特に、本発明で使用するのが
好ましいモードは、擬似TEモード（Quasi Transverse E
lectric Mode）、TE（Ｎ、１、ｄ）、擬似TMモード（Qu
asi Transverse Magnetic Mode）、TM（Ｎ、１、ｄ）
と、擬似THモード（Quasi Transverse Hybrid Mode）で
あり、Ｎ＝３ないし無限大、好ましくは３ないし20、更
に好ましくは４ないし７である。Ｎの値を選択し、次に
誘電材料の形状の決定に影響を及ぼす共振器の動作周波
数を選択することによって、誘電材料の形状の決定が影
響を受ける。
第10図は、TM（１、１、ｄ）乃至TM（５、１、ｄ）に
ついて空洞の半径と誘電材料片の直径が種々の比率を取
る場合に、この空洞に対して得ることのできる正規化し
た最大のＱを示す。第10図の曲線は、銅の壁部を有する
空洞内に於けるサファイアの誘電材料の場合である。図
から分かるように、Ｎの値が小さい場合、特にＮが３以
下の場合、電磁モードと空洞の壁部との相互作用、また
は電磁界の自由空間への放射によるかなりの損失が存在
する。更に、Ｎ＝５は、正規化したＱが１以上であるグ
ラフ上に示された唯一のモードであることがまた明らか
である。従って、TMモードに対して選択したモードは、
少なくともTM（５、１、ｄ）であることが好ましい。こ
の選択によって、その他の制約を考慮しても、誘電材料
から得ることのできる最大のＱを空洞内で達成すること
が可能になる。
しかし、モードの数が増加するのに従って、同一の共
振周波数に対して、これを受け入れるための誘電材料の
寸法の大きくする必要がある。従って、空洞を可能な最
小寸法にしながら、ある誘電材料から得ることのできる
Ｑを最大にするために、TMモードに関してはＮ＝５を選
択するのが最適である。
第11図は、空洞と誘電材料片が種々の比率を取る場合
に、TEモードのTE（２、１、ｄ）乃至TE（６、１、ｄ）
に対して空洞内で得ることのできる最大のＱを正規化し
たグラフを示す。第11図のこれらの曲線は、銅の壁部を
有す空洞内のサファイアの誘電材料に対するものであ
る。縦軸は得ることのできる正規化したＱを表し、横軸
は空洞の半径と誘電材料の半径の間との比を表す。この
グラフから分かるように、共振空洞内のこの誘電材料に
関してえることのできる最大のＱを得るには、TE（６、
１、ｄ）で動作する必要がある。従って、TEモードで動
作するマイクロ波共振空洞の場合、空洞の寸法を最小に
しながら、その誘電材料により得られる最大のＱを得る
には、TE（６、１、ｄ）モードで動作するのが好まし
い。
他の考慮すべき点は、空洞内のモード数が増加するの
に従って、より多くの電磁放射が誘電材料内に含まれる
という事実である。実際上、この結果空洞の寸法を変え
ることによって動作周波数をチューニングする能力が低
下する。モードTM（５、１、ｄ）とTE（６、１、ｄ）に
よれば、空洞のチューニング能力と、この空洞内の損失
の間でうまく妥協が行われると考えられる。
更に本発明によれば、誘電材料からの放射損失の影響
は、この誘電材料を導電性を有する空洞内に設置するこ
とによって削減される。このことは、共振空洞のベー
ス、蓋部と円筒形の壁部を、銅や銀のような極めて導電
性の高い材料から製作することによって達成することが
できる。
または、共振空洞のベース、蓋部と円筒形の壁部に
銅、銀または金のような極めて導電性の高い材料を適当
な厚さに鍍金してもよい。大部分の用途では20ミクロン
で十分であることが分かっている。銀は最も低い抵抗を
示すので、一般的に好ましい。
更に、誘電材料の放射損失は、以下の好ましい特性の
内の１つ以上を有する損失の低い誘電材料を選択するこ
とによって、削減することができる。即ち、これらの好
ましい特性とは、低損失接線、中位または高位の誘電定
数、低い温度膨張係数、誘電定数の温度係数が低いこ
と、高い縦弾性係数（ヤング係数）及び高い誘電強度で
ある。
誘電材料の好ましい形態は純粋のサファイヤである
が、このような共振器の構造では、他の材料を使用する
こともできる。他の幾つかの適当な材料には、チタン酸
バリウム、石英、不純物を添加した石英、YIG（イット
リウム・インジウム・ガーネット）、YAG（イットリウ
ム・アルミニウム・ガーネット）、ニオブ酸リチウム及
びランチネート（lanthinate）がある。
更に、誘電材料に選択した種類の原子を添加し、この
誘電材料のある特性を変更して、共振器の性能を改善す
るのが好ましい。一例として、常磁性の原子を選んで、
サファイアの格子に所定の添加水準まで導入するのが有
利である。この常磁性種は共振器のマイクロ波の共振と
相互作用を行い、その結果この共振器の周波数は一般的
に低い温度依存性を示す。
10GHzに於いてTM（５、１、ｄ）で動作するサファイ
アの誘電材料の場合、直径が21.68mm、高さが20.58mmで
あるのが好ましいことが分かっている。この値は、既知
の方法でマクスウェルの方程式の解を求めることによっ
て決定された。マクスウェルの方程式の解によって第１
の値を得ると、以下の手順によって他のモードで動作す
る誘電材料片の直径を得ることができる。
第１に直径21.68mmの誘電材料片を使用した共振器を
製作する。この共振器を、製作しようとする空洞の所望
の動作温度に近い温度で動作させる。この共振器は所望
の空洞と同一の高さと直径の比を有さなければならず、
また所望の動作モードに対してチューニング可能な範
囲、例えば、TM（５、１、ｄ）モードで動作するのが好
ましい空洞の直径の比の場合1.65と2.00の間になければ
ならない。次に所望の動作モードの場合の共振器の共振
周波数は、既知の手段を使用して測定する。この周波数
を測定することにより、所望の周波数に於いて所望のモ
ードで動作する誘電材料片の直径を、機械加工上の許容
誤差範囲内で決定することができる。誘電材料の直径は
共振周波数に比例するので、この誘電材料の必要な直径
は簡単な比をとることによって計算できる。即ち、サン
プルの誘電材料の計算した共振周波数を所望の動作周波
数で除し、その結果をこのサンプルの誘電材料の直径に
乗じることにより、所望のマイクロ波共振器のおよその
直径に到達することができる。
しかし、誘電材料の機械加工には固有の不正確性が付
随するので誘電材料の所望の動作周波数と実際の動作周
波数には、若干の相違が存在する。この問題を克服する
ため、誘電材料の半径に対する空洞の壁部の半径の比を
変更することによって、マイクロ波共振器の共振周波数
をチューニングすることができる。
第15図は、TM（５、１、ｄ）モードで動作する空洞の
場合の上述の比の変化による共振周波数の変化とこの変
化と、関連するＱの損失とを表すグラフである。
このグラフに於いて、横軸は空洞の半径と誘電材料の半
径との間の比を表す。左側の縦軸は、達成可能な正規化
したＱを表す。右側の縦軸は空洞の動作周波数をMHzで
表す。TM（５、１、ｄ）モードの場合、誘電材料片の半
径に対する空洞の半径の比が1.65乃至2.00の範囲で動作
するのが好ましいと考えられる。これによって10GHzの
共振周波数で約15MHzのチューニング範囲が与えられる
が、Ｑは10％が犠牲になっているのに過ぎない。これは
マイクロ波共振器のより大きいチューニング可能性を大
きくする上で、受容可能なＱの損失であると考えられ
る。
従って、一度誘電材料を上で計算した直径に機械加工
し、この誘電材料の共振周波数を測定する。第15図を参
照して実際の共振周波数と所望の共振周波数との食い違
いを計算することによって、空洞の壁部の半径を調整
し、この誘電材料の機械加工による食い違いを補償する
ことができる。例えば、最初に2.0に等しい半径の比を
測定し、共振周波数が所望の周波数よりも若干低くなる
ようにサファイアを加工し、この半径の比を小さくする
ことにより、共振周波数を最高15MHz増加させることが
できる。
最後のチューニング操作は、共振空洞の動作温度を調
整することによって行われる。第14図に示すのは、種々
の温度に対するサファイア誘電材料の共振周波数の変化
のグラフである。横軸は摂氏の温度の単位を有する。縦
軸は、GHzで示す空洞の動作周波数である。このグラフ
から、サファイアは１℃当たり約671KHzの温度係数を有
していることが分かる。共振空洞の温度を１℃の約1/10
00以内に保持することによって、この共振空洞が1ppm以
内の精度の共振周波数を有するようにこの共振空洞をチ
ューニングすることができる。
上記の手順は複数のモードについて行えるので、類似
の空洞の設計を簡単にするための情報ライブラリを作る
ことができる。
第16図は、TM（５、１、ｄ）モードで動作している金
属空洞の場合の誘電材料片の高さに対するこの空洞の高
さの比とこの空洞内の損失がどのように関係しているか
を示すグラフである。横軸は、誘電材料の高さに対する
空洞の高さの比である。縦軸は、その空洞で達成可能な
正規化した最大のＱを表す。これらの高さの比が共振空
洞内の損失に対して及ぼす影響が最小になることを保証
するため、グラフが1.0に接近している第16図の領域で
動作を行うのが望ましい。例えば、高さの比が1.2を十
分超える、好ましくは約1.6であるのが好ましい。空洞
の高さと誘電材料の高さの比を変更することによって、
この空洞をチューニングすることができる。
第17図は、種々の条件に対してTM（８、１、ｄ）モー
ドで動作している共振器の高さの比を変更することによ
る共振周波数と空洞の損失に対する影響を示す。横軸
は、誘電材料の高さに対する空洞の高さの比を表す。左
側の縦軸は、その空洞で達成可能な正規化したＱであ
る。右側の縦軸は、動作周波数の相対的な周波数のシフ
トをパーセントで示す。１で示す曲線は、20℃の温度で
動作する空洞の場合である。半径の比は1.7であり、共
振器は銅のシールドを有していた。２で示す曲線は、4.
2Kの温度で動作する空洞の場合である。半径の比は1.9
であり、共振器はニオブのシールドを有していた。３で
示す曲線は、4.2Kの温度で動作する空洞の場合である。
半径の比は2.2であり、共振器は銅のシールドを有して
いた。４で示す曲線は、高さの比によって動作周波数が
どのように変化するかを示す。曲線４は曲線１、２と３
に同様に適用することができる。
第17図から、TMモードで動作する共振器の高さを変更
することによって達成されるチューニング可能範囲は、
同じ空洞損失に対して、直径を変更することによって達
成されるチューニング可能範囲よりも狭いことが分か
る。従って、TMモードの空洞では、直径の比を変更する
のが好ましい。TEモードの空洞では、高さの比によっ
て、一定の空洞損失に対する、最大のチューニング範囲
が与えられる。
第18図、第19図及び第20図は、種々のモードで動作す
る共振器の高さの比を変更することによる共振器の周波
数と空洞の損失に対する影響を示す。横軸は誘電材料の
高さに対する空洞の高さの比を表す。左側の縦軸は、そ
の空洞で達成可能な正規化したＱである。右側の縦軸
は、空洞の動作周波数をGHzで示す。第18図はTM（５、
１、ｄ）モードで動作する空洞の場合のこの関係を示
し、第19図はTM（７、１、ｄ）モードで動作する空洞の
場合を示し、第20図はTE（７、１、ｄ）モードで動作す
る空洞の場合を示す。第18、19及び20図のデータは、直
径が21.67mm、高さが20.58mmのサファイヤの誘電材料片
を使用し、このサファイヤに対する空洞の高さの比が1.
2である場合に、20℃の温度で得たものであった。
空洞から最大の性能を得るには、誘電材料片をポート
18に対して回転させる必要がある。これは、誘電材料片
が完全な円筒ではない、または誘電材料の軸は円筒の軸
と正確に位置合わせされていない、または誘電材料は製
造上の制約によってその結晶構造に欠陥を有している可
能性があるためである。従って、誘電材料片の配向によ
って共振器の性能がより優れている幾つかの位置が存在
する。この調整は、空洞を動作させ、ポートに対する誘
電材料片の回転の影響を観察することによって行われ
る。
添付図の第６図と第７図は、第３図のマイクロ波共振
空洞50を内蔵するマイクロ波共振器200を示し、ここで
同一の番号は同一の部品を表す。マイクロ波共振空洞1
0、30、50、70または90のいずれを使用することもでき
ることを理解しなければならない。
動作周波数に対する温度変化の影響を削除するため、
冷却手段202と真空キャニスタ204を設け、これらを格納
容器212に取り付ける。真空キャニスタ204の排気を行う
ため、真空ポンプの出口ポート206を設ける。真空キャ
ニスタ204にはまた密閉した供給通路208を設け、この真
空キャニスタ204にケーブルを貫通させる。空洞50を真
空キャニスタ204内に設置することによって、この空洞5
0が排気され、周辺温度の変化に対してこの空洞50を有
効に断熱する。
冷却手段202は、ペルチエ・ヒート・ポンプのような
小型の装置であるのが好ましい。冷却手段202は空洞50
と格納容器212の間に保持し、これらの間で熱伝導を行
う。本発明のこの実施例では、格納容器212は、ヒート
・シンクとして機能する。空洞50を冷却することによっ
て、共振器の性能が向上する。冷却手段202は熱安定回
路214によって制御し、空洞50の温度を受容可能な許容
誤差の範囲で一定の温度に保持し、更に共振器200の温
度安定性を改善する。更に断熱を行うため、空洞50を既
知の種類の多層の超断熱材で包むことが可能である。
誘電材料22とポート18の間でマイクロ波を容易に放射
伝達するため、ポート18を、既知のマイクロ波のフィー
ルド・プローブ220によって空洞50内で終了させる。ポ
ート18に対するアクセスは、格納容器212に取り付けた
外部コネクタ222によって行われる。各外部コネクタ222
には密閉ポート216を設け、真空キャニスタ204内で真空
のロスが発生しないことを保証する。各コネクタ222
は、同軸ケーブルまたはマイクロ波導波管のような適当
なマイクロ波伝導体224によってポート18に接続する。
添付図の第８図に示すのは、温度安定回路214のブロ
ック図である。この温度安定回路214は、温度検知器15
0、ブリッジ152、ロックイン増幅器154、比例、積分及
び微分制御装置156とサーボアンプ158によって構成され
る。また、空洞160を図示する。この空洞160は、本発明
の空洞10、30、50、70または90のいずれでもよい。温度
検知器150、ブリッジ152、ロックイン増幅器154、制御
装置156とサーボアンプ158は、既知の種類の１段の閉ル
ープ制御装置を形成する。
添付図の第９図に示すように、これは温度安定回路21
4の他の実施例である。再び、空洞160を示すが、これは
本発明の空洞10、30、50、70または90のいずれかに対応
する。２段の制御装置であるこの実施例には、２つの別
個の１段の閉ループ制御装置、粗制御装置176と微制御
装置188が設けられている。粗制御装置176は、温度検出
器170、ロックイン増幅器172、及びPIDとサーボアンプ1
74によって構成される。この粗制御装置176は、マイク
ロ波空洞の温度を比較的狭い範囲、例えば0.1℃内に保
持する。微制御装置188は、温度検出器180、ロックイン
増幅器182、PIDとサーボ増幅器184と微細ヒータまたは
熱電モジュール186によって構成される。温度検出器180
を使用して誘電材料片22の温度を直接検出する。ヒータ
または熱電モジュール186を使用して誘電材料片22の温
度を直接制御する。
粗制御装置176がマイクロ波空洞の温度を比較的狭い
範囲内に保持するため、微制御装置188は周辺温度の変
化に影響されない。従って、微制御装置188は、温度の
微少変化に対してはるかに高感度に構成することができ
る。従って、微制御装置188を使用して誘電材料22の温
度を一層高い精度で制御できる。従って、粗制御装置17
6は周辺温度の変化に対してほぼ一定温度を保持し、一
方微制御装置188は誘電材料片の温度を非常に狭い範囲
内に保持する。この２段制御装置によって、誘電材料片
の温度を摂氏数マイクロ度以内に制御することが可能に
なる。
使用する場合、第６図と第７図に示すように、コネク
タ222を介してマイクロ波共振器200を信号源に取り付け
る。信号はマイクロ波伝導体224に沿って流れ、空洞50
内に放射される。空洞50の共振周波数に対応しない周波
数とモードを有するこの信号の全ての成分は、フィール
ド・プローブ220で反射する。従って、空洞50の共振周
波数に対応する信号成分のみが空洞50内に存在する。
空洞50内の大部分の信号は、誘電材料22内に含まれて
いる。この誘電材料22からの総ての漏洩は、壁部12から
反射して誘電材料22に戻されるか、またはフィールド・
プローブ220によって吸収されてマイクロ波伝導体224に
沿って伝導されるかのいずれかである。マイクロ波伝導
体224に沿って送られる信号は、マイクロ波共振器200を
取り付けた装置によって使用する。このような装置には
マイクロ波周波数の発信機とフィルタが含まれる。空洞
50内の損失は誘電材料22内の損失と空洞50内の壁部内の
損失にまで削減される。空洞50の壁部を銅または銀のよ
うな電気抵抗の低い金属から製作することによって、こ
れらの壁部内の損失は無視できる程度になる。従って、
損失は主として誘電材料22の種類によって決まる。低い
損失の接平面を有するサファイアは、非常にこの目的に
適した材料である。
更に、金属及び誘電材料双方の損失は、温度が低くな
ると低減される。冷却手段202は、−80℃と50℃の間
で、従来技術の装置の極低温度と比較して周辺温度に近
い温度での冷却を行うように設計されている。本発明で
極低温度の冷却を行えば、更に性能を向上させるが、共
振器200の性能は現在でも既存の装置を十分凌駕してい
る。
フロントページの続き (72)発明者 イワノフ，エフゲニー・ニコライ オーストラリア国、6009 ウェスタン・ オーストラリア、ネッドランズ、パー ク・ロード ２／５ (72)発明者 ブレアー，デイヴィッド・ジェラルド オーストラリア国、6055 ウェスタン・ オーストラリア、ギルドフォード、ヘレ ナ・ストリート 61 (72)発明者 トーバー，マイケル・エドマンド オーストラリア国、6009 ウェスタン・ オーストラリア、ネッドランズ、セン ト・コランバ・カレッジ（番地なし) (72)発明者 サールズ，ジェシー・ハイク オーストラリア国、6160 ウェスタン・ オーストラリア、フリーマントル、ステ ィーヴンス・ストリート ６ (72)発明者 エドワーズ，サイモン・ジョン オーストラリア国、6009 ウェスタン・ オーストラリア、ネッドランズ、ダルキ ース・ロード ５ (56)参考文献 特開 平４−97305（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−16801（ＪＰ，Ａ) 特開 昭61−112402（ＪＰ，Ａ) 実開 平４−25303（ＪＰ，Ｕ) 実開 昭61−134105（ＪＰ，Ｕ) Ｔｒａｎｓ．ＩＥＣＥ ｏｆ Ｊａｐ ａｎ， Ｖｏｌ．Ｅ69，Ｎｏ．４, 1986，ｐｐ．335−337 (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) H01P 7/10 H01P 1/208 H01P 1/30 H01P 1/20 H01P 1/212 ＪＩＣＳＴファイル（ＪＯＩＳ)

Claims (71)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】空洞内に配置される誘電体を含み、所望の
    動作周波数を有すると共に前記所望の動作周波数で適当
    なオーダーの方位モードで動作する寸法を持つ空洞共振
    器において、前記空洞が、 前記誘電体に応じた寸法に設定され、 前記方位モードで所望のポートを結合するのための共振
    器の最大のＱファクターに近似する又はそれに実質的に
    相応するＱファクターを提供するように結合されてお
    り、 前記方位モードが、少なくとも３であることを特徴とす
    る空洞共振器。
  2. 【請求項２】前記誘電体が最大のＱファクターを提供す
    るために共振器のポートに対して整列されていることを
    特徴とする請求の範囲第１項に記載の空洞共振器。
  3. 【請求項３】前記モードが、擬似TEモード、擬似TMモー
    ド、又は擬似THモードであることを特徴とする請求の範
    囲第１項に記載の空洞共振器。
  4. 【請求項４】前記方位モードが、擬似TMモードの場合に
    は少なくとも５であり、擬似TEモードの場合には少なく
    とも６であることを特徴とする請求の範囲第１項に記載
    の空洞共振器。
  5. 【請求項５】前記所望の動作周波数が、マイクロ波周波
    数帯内にあることを特徴とする請求の範囲第１項に記載
    の空洞共振器。
  6. 【請求項６】前記空洞が、良好な熱伝導率を有する材料
    から形成されていることを特徴とする請求の範囲第１項
    に記載の空洞共振器。
  7. 【請求項７】熱伝達を可能にするために前記空洞に保持
    される冷却手段を含むことを特徴とする請求の範囲第１
    項に記載の空洞共振器。
  8. 【請求項８】前記冷却手段がペルチエヒートポンプであ
    ることを特徴とする請求の範囲第７項に記載の空洞共振
    器。
  9. 【請求項９】前記冷却手段が、前記空洞の温度を許容公
    差の範囲内で維持するための熱安定回路により制御され
    ることを特徴とする請求の範囲第７項に記載の空洞共振
    器。
  10. 【請求項１０】前記熱安定回路が、前記冷却手段を動作
    するために単段閉鎖ループ制御装置を備えることを特徴
    とする請求の範囲第９項に記載の空洞共振器。
  11. 【請求項１１】前記単段閉鎖ループ制御装置が、前記空
    洞の温度を検知するための温度検出器と、ブリッジと、
    ロックイン増幅器と、比例−積分−微分制御装置すなわ
    ちPID制御装置と、サーボ増幅器とをそれぞれ備えるこ
    とを特徴とする請求の範囲第10項に記載の空洞共振器。
  12. 【請求項１２】前記熱安定回路が、追加の単段閉鎖ルー
    プ制御装置と、前記空洞の温度を相対的に狭い範囲内で
    維持するための粗制御装置である第１制御装置と、前記
    誘電体の温度を相対的に狭い範囲内で維持するための微
    制御装置である前記追加の制御装置とをそれぞれ含むこ
    とを特徴とする請求の範囲第10項に記載の空洞共振器。
  13. 【請求項１３】前記追加の単段閉鎖ループ制御装置が、
    前記誘電体の温度を直接的に検出するための温度検出器
    と、ロックイン増幅器と、PID制御装置と、サーボ増幅
    器と、前記誘電体の温度を直接的に制御するためのヒー
    タ又は熱電モジュールとをそれぞれ備えることを特徴と
    する請求の範囲第12項に記載の空洞共振器。
  14. 【請求項１４】前記空洞を周囲温度の変動から絶縁する
    ために、前記空洞が、真空キャニスタに結合されている
    真空ポンプによって排気される溶接密閉された前記真空
    キャニスタ内に配置されていることを特徴とする請求の
    範囲第１項に記載の空洞共振器。
  15. 【請求項１５】前記真空キャニスタ及び前記冷却手段
    が、空洞共振器の動作の周波数に対する温度変動の影響
    をさらに削減するために容器の上に取付けられ、前記冷
    却手段が前記空洞と前記容器の間に保持されてこれらの
    間における熱伝達が許容されていることを特徴とする請
    求の範囲第14項に記載の空洞共振器。
  16. 【請求項１６】前記容器が、前記空洞の冷却を容易にす
    るためにヒートシンクの役割を果すことを特徴とする請
    求の範囲第15項に記載の空洞共振器。
  17. 【請求項１７】空洞内に配置される誘電体を含み、所望
    の動作周波数を有すると共に前記所望の動作周波数で適
    当なオーダーの方位モードで動作するような寸法を持つ
    空洞共振器において、前記誘電体が、最大のＱファクタ
    ーを提供するように共振器のポートに対して整列されて
    いるものであり、前記方位モードが少なくとも３である
    ことを特徴とする空洞共振器。
  18. 【請求項１８】前記モードが、擬似TEモード、擬似TMモ
    ード、又は擬似THモードであることを特徴とする請求の
    範囲第17項に記載の空洞共振器。
  19. 【請求項１９】前記方位モードが、擬似TMモードの場合
    には少なくとも５であり、擬似TEモードの場合には少な
    くとも６であることを特徴とする請求の範囲第17項に記
    載の空洞共振器。
  20. 【請求項２０】前記所望の動作周波数が、マイクロ波周
    波数帯内にあることを特徴とする請求の範囲第17項に記
    載の空洞共振器。
  21. 【請求項２１】前記空洞が、良好な熱伝導率を有する材
    料から形成されていることを特徴とする請求の範囲第17
    項に記載の空洞共振器。
  22. 【請求項２２】熱伝達を可能にするために前記空洞に保
    持されている冷却手段を含むことを特徴とする請求の範
    囲第17項に記載の空洞共振器。
  23. 【請求項２３】前記冷却手段が、ペルチエヒートポンプ
    であることを特徴とする請求の範囲第22項に記載の空洞
    共振器。
  24. 【請求項２４】前記冷却手段が、前記空洞の温度を許容
    公差の範囲内に維持するために熱安定回路によって制御
    されることを特徴とする請求の範囲第22項に記載の空洞
    共振器。
  25. 【請求項２５】前記熱安定回路が、前記冷却手段を動作
    するための単段閉鎖ループ制御装置を備えることを特徴
    とする請求の範囲第24に記載の空洞共振器。
  26. 【請求項２６】前記単段閉鎖ループ制御装置が、前記空
    洞の温度を検出するための温度検出器と、ブリッジと、
    ロックイン増幅器と、比例−積分−微分制御装置すなわ
    ちPID制御装置と、サーボ増幅器とをそれぞれ備えるこ
    とを特徴とする請求の範囲第25項に記載の空洞共振器。
  27. 【請求項２７】前記熱安定回路が、追加の単段閉鎖ルー
    プ制御装置と、前記空洞の温度を相対的に狭い範囲内に
    維持するための粗制御装置である第１制御装置と、前記
    誘電体の温度を相対的に狭い範囲内に維持するための微
    制御装置である前記追加の制御装置とをそれぞれ含むこ
    とを特徴とする請求の範囲第25項に記載の空洞共振器。
  28. 【請求項２８】前記追加の単段閉鎖ループ制御装置が、
    前記誘電体の温度を直接的に検出するための温度検出器
    と、ロックイン増幅器と、PID制御装置と、サーボ増幅
    器と、前記誘電体の温度を直接的に制御するためのヒー
    タ又は熱電モジュールとをそれぞれ備えることを特徴と
    する請求の範囲第27項に記載の空洞共振器。
  29. 【請求項２９】前記空洞を周囲温度の変動から絶縁する
    ために、前記空洞が、真空キャニスタに結合されている
    真空ポンプによって排気される溶接密閉された前記真空
    キャニスタ内に配置されていることを特徴とする請求の
    範囲第17項に記載の空洞共振器。
  30. 【請求項３０】前記真空キャニスタ及び前記冷却手段
    が、空洞共振器の周波数に対する温度変動の影響をさら
    に削減するために容器の上に取付けられ、前記冷却手段
    が、前記空洞と前記容器との間に保持されてこれらの間
    における熱伝達が許容されていることを特徴とする請求
    の範囲第29項に記載の空洞共振器。
  31. 【請求項３１】前記容器が、前記空洞の冷却を容易にす
    るためにヒートシンクとしての役割を果すことを特徴と
    する請求の範囲第30項に記載の空洞共振器。
  32. 【請求項３２】前記誘電体は、電磁エネルギーをその中
    に実質的に閉じ込めるための円筒部分と、共振器の空洞
    内の中心に固定して配置されるために特に形成されてい
    る互いに対向する軸端部とをそれぞれ備え、前記互いに
    対向する軸端部には、それぞれ軸に沿って同軸状に整列
    されかつ前記円筒部分から内向きに突出されている凹部
    が設けられ、前記凹部は、前記誘電体を共振器の空洞内
    の中心に配置させるために前記空洞の互いに対向する端
    部に固定係合させるために設けられていることを特徴と
    する請求の範囲第１項に記載の空洞共振器。
  33. 【請求項３３】前記誘電体が、以下の特性、すなわち低
    損失接線、中位又は高位の誘電定数、低い温度膨張係
    数、低い誘電定数の温度係数、高いヤング係数、及び高
    い誘電強度のうちの１つ又は複数を有する材料から形成
    されていることを特徴とする請求の範囲第１項に記載の
    空洞共振器。
  34. 【請求項３４】前記誘電体が、純粋なサファイアから形
    成されていることを特徴とする請求の範囲第１項に記載
    の空洞共振器。
  35. 【請求項３５】前記誘電体が、チタン酸バリウム、石
    英、不純物を添加した石英、YIG（イットリウムインジ
    ウムガーネット）、YAG（イットリウムアルミニウムガ
    ーネット）、又はニオブ酸リチウムから形成されている
    ことを特徴とする請求の範囲第１項に記載の空洞共振
    器。
  36. 【請求項３６】前記誘電体が、空洞共振器内で使用され
    るときにその性能を改善するために、誘電材料の一定の
    特徴を改変するために選択した種類の原子を添加されて
    いることを特徴とする請求の範囲第１項に記載の空洞共
    振器。
  37. 【請求項３７】前記選択した種類の原子が、選択した常
    磁性の原子種類であり、前記誘電材料がサファイアであ
    ることを特徴とする請求の範囲第36項に記載の空洞共振
    器。
  38. 【請求項３８】前記誘電体が、所定のモードで、所定の
    周波数で、所定の温度で動作することが意図される所定
    の材料のマックスウェルの方程式の解を求めることによ
    って決定される直径及び高さを有することを特徴とする
    請求の範囲第１項に記載の空洞共振器。
  39. 【請求項３９】前記誘電体の高さが、その直径よりも大
    きいことを特徴とする請求の範囲第１項に記載の空洞共
    振器。
  40. 【請求項４０】前記空洞が、 円筒形の壁部と、 互いに対向する一対の軸端部と、 少なくとも１つのポートが電磁エネルギーをそこに伝送
    するためであり、少なくとも１つの他のポートがそこか
    ら電磁エネルギーを受け取るための複数のポートと、 をそれぞれ含み、 前記互いに対向する一対の軸端部が、前記誘電体の互い
    に対向する軸端部を固定係合し、前記誘電体を前記空洞
    の中心に配置するように特に成形されていることを特徴
    とする請求の範囲第１項に記載の空洞共振器。
  41. 【請求項４１】前記誘電体を固定係合して前記誘電体を
    前記空洞内の中心に配置するために、前記互いに対向す
    る軸端部のそれぞれに関連して、軸に沿った整列のため
    に前記空洞の内面上に配置されかつ空洞前記の内部側に
    向けて軸状に突出している軸状ステムを有することを特
    徴とする請求の範囲第40項に記載の空洞共振器。
  42. 【請求項４２】それぞれ対向する端部で同軸上に整列さ
    れているスピンドルを具備し、前記誘電体の円筒部分と
    一体化する誘電体用であって、前記軸方向の軸状ステム
    の自由端部のそれぞれが、軸に沿った整列のためにその
    軸端部に配置され、スピンドルの自由端部に対応する断
    面の大きさ及び形状である円筒凹部を有し、その中にス
    ピンドルの自由端部を収容して固定配置することを特徴
    とする請求の範囲第41項に記載の空洞共振器。
  43. 【請求項４３】各々の前記軸状ステムの自由端部が、そ
    の中に収容されて前記空洞内の中心に誘電体を固定配置
    するために、前記誘電体のそれぞれの同軸上に整列され
    る凹部に対応する断面のサイズ及び形状であることを特
    徴とする請求の範囲第41項に記載の空洞共振器。
  44. 【請求項４４】前記軸状ステムのそれぞれが、その中に
    配置され、同軸上に整列されている前記凹部から空気を
    排出するのを助長するために、前記軸状ステムの自由端
    部と連通している軸孔を有することを特徴とする請求の
    範囲第43項に記載の空洞共振器。
  45. 【請求項４５】貫通穴を形成するために交差している同
    軸上に整列されている凹部を有する前記誘電体であっ
    て、前記軸状ステムが、軸線に沿って延びる前記誘電体
    の円筒穴内に固定係合してその中に収容するための単一
    の円筒状ステムの一部であり、前記単一の円筒状ステム
    の穴係合部分が、前記空洞内の中心に前記誘電体を固定
    配置するために前記誘電体の軸線に沿って延びる穴に対
    応する断面のサイズ及び形状であることを特徴とする請
    求の範囲第41項に記載の空洞共振器。
  46. 【請求項４６】前記単一の円筒状ステムが、前記対向す
    る軸端部のうちの一方の軸端部から、前記対向する軸端
    部のうちの他方の軸端部まで、軸状に内向きに延びてお
    り、前記単一の円筒状ステムの自由端部が、前記他方の
    軸端部内に一体化して収容されていることを特徴とする
    請求の範囲第45項に記載の空洞共振器。
  47. 【請求項４７】前記単一の円筒状ステムが、前記誘電体
    に近接して前記円筒状ステム中に温度プローブを配置す
    るために前記円筒状ステム内を通って軸線に沿って延び
    る穴を有することを特徴とする請求の範囲第45に記載の
    空洞共振器。
  48. 【請求項４８】それぞれのセクションが、対応する半分
    の向かい合う軸端部、半分の円筒壁部、向き合う平坦な
    表面、及び誘電体を中心に収容するための対応する凹部
    を備える、軸平面の回りで対称である２つの別個のセク
    ションを含み、前記誘電体が、前記平坦な表面を相互に
    反対に配置するときに前記セクション内に包封されるこ
    とを特徴とする請求の範囲第40項に記載の空洞共振器。
  49. 【請求項４９】前記空洞の前記互いに対向する軸端部
    が、前記空洞の中心軸に関して複数の半径方向に配置さ
    れている長穴を有し、前記長穴が、空洞共振器の所望動
    作モードにおいて電磁エネルギーの低集中箇所に対応す
    る位置に配置されていることを特徴とする請求の範囲第
    40項に記載の空洞共振器。
  50. 【請求項５０】前記円筒形の壁部の内面の直径に関して
    は、前記円筒形の壁部の内面の直径と前記空洞共振器用
    の誘電体の直径との割合が、空洞共振器の所望のモー
    ド、動作周波数、及び所定温度での許容できるＱファク
    ターを提供するための範囲内となるような大きさの直径
    を有することを特徴とする請求の範囲第40項に記載の空
    洞共振器。
  51. 【請求項５１】前記円筒形の壁部の内面の高さに関して
    は、前記誘電体の高さに対する前記内面の高さの割合
    が、前記空洞が所定の温度での空洞共振器の所望の動作
    周波数で空洞共振器として動作するように意図されるモ
    ードで許容できるＱファクターを提供するための範囲と
    なるような大きさとなるような高さを有することを特徴
    とする請求の範囲第40項に記載の空洞共振器。
  52. 【請求項５２】前記誘電体は、電磁エネルギーをその中
    に実質的に閉じ込めるための円筒部分と、共振器の空洞
    内の中心に固定して配置されるために特に形成されてい
    る互いに対向する軸端部とをそれぞれ備え、前記互いに
    対向する軸端部には、それぞれ軸に沿って同軸状に整列
    されかつ前記円筒部分から内向きに突出されている凹部
    が設けられ、前記凹部は、前記誘電体を共振器の空洞内
    の中心に配置させるために前記空洞の互いに対向する端
    部に固定係合させるために設けられていることを特徴請
    求の範囲第17項に記載の空洞共振器。
  53. 【請求項５３】前記誘電体が、以下の特性、すなわち低
    損失接線、中位又は高位の誘電定数、低い温度膨張係
    数、低い誘電定数の温度係数、高いヤング係数、及び高
    い誘電強度の内の１つ又は複数を有する材料から形成さ
    れることを特徴とする請求の範囲第17項に記載の空洞共
    振器。
  54. 【請求項５４】前記誘電体が、純粋なサファイアから形
    成されていることを特徴とする請求の範囲第17項に記載
    の空洞共振器。
  55. 【請求項５５】前記誘電体が、チタン酸バリウム、水
    晶、ドープ水晶、イットリウムインジウムガーネット
    （YIG）、イットリウムアルミニウムガーネット（YA
    G）、又はニオブ酸リチウムから形成されることを特徴
    とする請求の範囲第17項に記載の空洞共振器。
  56. 【請求項５６】前記誘電体が、空洞共振器内で使用され
    るときにその性能を改善するために、誘電材料の一定の
    特徴を改変するために選択した種類の原子を添加されて
    いることを特徴とする請求の範囲第17項に記載の空洞共
    振器。
  57. 【請求項５７】前記選択した種類の原子が、選択した常
    磁性の原子種類であり、前記誘電材料がサファイアであ
    ることを特徴とする請求の範囲第56項に記載の空洞共振
    器。
  58. 【請求項５８】前記誘電体が、所定のモードで、所定の
    周波数で、所定の温度で動作することが意図される所定
    の材料のマックスウェルの方程式の解を求めることによ
    って決定される直径と高さを有することを特徴とする請
    求の範囲第17項に記載の空洞共振器。
  59. 【請求項５９】誘電体の高さが、その直径よりも大きい
    ことを特徴とする請求の範囲第17項に記載の空洞共振
    器。
  60. 【請求項６０】前記空洞が、 円筒形の壁部と、 互いに対向する一対の軸端部と、 少なくとも１つのポートが電磁エネルギーをそこに伝送
    するためであり、少なくとも１つの他のポートがそこか
    ら電磁エネルギーを受け取るための複数のポートと、 をそれぞれ含み、 前記互いに対向する一対の軸端部が、前記誘電体の互い
    に対向する軸端部を固定係合し、前記誘電体を前記空洞
    の中心に配置するように特に成形されていることを特徴
    とする請求の範囲第17項に記載の空洞共振器。
  61. 【請求項６１】前記誘電体を固定係合して前記誘電体を
    前記空洞内の中心に配置するために、前記互いに対向す
    る軸端部のそれぞれに関連して、軸に沿った整列のため
    に前記空洞の内面上に配置されかつ空洞前記の内部側に
    向けて軸状に突出している軸状ステムを有することを特
    徴とする請求の範囲第60項に記載の空洞共振器。
  62. 【請求項６２】それぞれ対向する端部で同軸上に整列さ
    れているスピンドルを具備し、前記誘電体の円筒部分と
    一体化する誘電体用であって、前記軸方向の軸状ステム
    の自由端部のそれぞれが、軸に沿った整列のためにその
    軸端部に配置され、スピンドルの自由端部に対応する断
    面の大きさ及び形状である円筒凹部を有し、その中にス
    ピンドルの自由端部を収容して固定配置することを特徴
    とする請求の範囲第61項に記載の空洞共振器。
  63. 【請求項６３】各々の前記軸状ステムの自由端部が、そ
    の中に収容されて前記空洞内の中心に誘電体を固定配置
    するために、前記誘電体のそれぞれの同軸上に整列され
    る凹部に対応する断面のサイズ及び形状であることを特
    徴とする請求の範囲第61項に記載の空洞共振器。
  64. 【請求項６４】前記軸状ステムのそれぞれが、その中に
    配置され、同軸上に整列されている前記凹部から空気を
    排出するのを助長するために、前記軸状ステムの自由端
    部と連通している軸孔を有することを特徴とする請求の
    範囲第63項に記載の空洞共振器。
  65. 【請求項６５】貫通穴を形成するために交差している同
    軸上に整列されている凹部を有する前記誘電体であっ
    て、前記軸状ステムが、軸線に沿って延びる前記誘電体
    の円筒穴内に固定係合してその中に収容するための単一
    の円筒状ステムの一部であり、前記単一の円筒状ステム
    の穴係合部分が、前記空洞内の中心に前記誘電体を固定
    配置するために前記誘電体の軸線に沿って延びる穴に対
    応する断面のサイズ及び形状であることを特徴とする請
    求の範囲第61項に記載の空洞共振器。
  66. 【請求項６６】前記単一の円筒状ステムが、前記対向す
    る軸端部のうちの一方の軸端部から、前記対向する軸端
    部のうちの他方の軸端部まで、軸状に内向きに延びてお
    り、前記単一の円筒状ステムの自由端部が、前記他方の
    軸端部内に一体化して収容されていることを特徴とする
    請求の範囲第65項に記載の空洞共振器。
  67. 【請求項６７】前記単一の円筒状ステムが、前記誘電体
    に近接して前記円筒状ステム中に温度プローブを配置す
    るために前記円筒状ステム内を通って軸線に沿って延び
    る穴を有することを特徴とする請求の範囲第65項に記載
    の空洞共振器。
  68. 【請求項６８】それぞれのセクションが、対応する半分
    の向かい合う軸端部、半分の円筒壁部、向き合う平坦な
    表面、及び誘電体を中心に収容するための対応する凹部
    を備える、軸平面の回りで対称である２つの別個のセク
    ションを含み、前記誘電体が、前記平坦な表面を相互に
    反対に配置するときに前記セクション内に包封されるこ
    とを特徴とする請求の範囲第60項に記載の空洞共振器。
  69. 【請求項６９】前記空洞の前記互いに対向する軸端部
    が、前記空洞の中心軸に関して複数の半径方向に配置さ
    れている長穴を有し、前記長穴が、空洞共振器の所望動
    作モードにおいて電磁エネルギーの低集中箇所に対応す
    る位置に配置されていることを特徴とする請求の範囲第
    60項に記載の空洞共振器。
  70. 【請求項７０】前記円筒形の壁部の内面の直径に関して
    は、前記円筒形の壁部の内面の直径と前記空洞共振器用
    の誘電体の直径との割合が、空洞共振器の所望のモー
    ド、動作周波数、及び所定温度での許容できるＱファク
    ターを提供するための範囲内となるような大きさの直径
    を有することを特徴とする請求の範囲第60項に記載の空
    洞共振器。
  71. 【請求項７１】前記円筒形の壁部の内面の高さに関して
    は、前記誘電体の高さに対する前記内面の高さの割合
    が、前記空洞が所定の温度での空洞共振器の所望の動作
    周波数で空洞共振器として動作するように意図されるモ
    ードで許容できるＱファクターを提供するための範囲と
    なるような大きさとなるような高さを有することを特徴
    とする請求の範囲第60項に記載の空洞共振器。
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