JP4015938B2

JP4015938B2 - 共振器

Info

Publication number: JP4015938B2
Application number: JP2002364054A
Authority: JP
Inventors: 達也福永
Original assignee: TDK Corp
Current assignee: TDK Corp
Priority date: 2002-12-16
Filing date: 2002-12-16
Publication date: 2007-11-28
Anticipated expiration: 2022-12-16
Also published as: US20040145434A1; CN1277332C; CN1508904A; JP2004200783A; US6992548B2; EP1432064A1

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、マイクロ波またはミリ波などの高周波帯域の信号の伝播に用いられる共振器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、マイクロ波帯やミリ波帯等の高周波信号を伝送するための伝送路としては、ストリップ線路、導波管および誘電体導波管などが知られている。これらはまた、高周波用の共振器およびフィルタを構成するものとして知られている。また、これら高周波用の構成要素をモジュール化したものとしては、ＭＭＩＣ（モノリシックマイクロ波集積回路）などがある。
【０００３】
ところで最近では、多層構造の配線基板内に、積層技術によって誘電体導波管線路を形成したものが知られている。これは、誘電体を挟んで積層された複数のグランド導体と、内面がメタライズされ、グランド導体間を導通するようになされたスルーホールとを備え、これらグランド導体とスルーホールとで囲まれた領域内で電磁波を伝播するようにしたものである。
【０００４】
このような積層型の導波管では、スルーホールを配置する間隔が大きすぎると、隣り合うスルーホール間から電磁波が漏れ出してしまう。このため、スルーホールを設ける間隔を、ある値よりも小さく設定する必要がある。従来、このスルーホールを設ける間隔は、信号波長や、誘電体基板の比誘電率を考慮して決定するのが一般的である。例えば、以下の特許文献１には、遮断波長よりも小さい間隔でスルーホールを設けるようにした導波管の例が記載されている。また、以下の特許文献２には、電磁波の進行方向に管内波長の２分の１未満の間隔でスルーホールを設けるようにした導波管の例が記載されている。
【０００５】
【特許文献１】
特開平６−５３７１１号公報
【特許文献２】
特開平１１−２８４４０９号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
このように、従来の積層型の導波管では、主に信号波長を考慮してスルーホールを設ける間隔を決定するようにしていた。しかしながら、特に、スルーホールを設ける間隔と導体損失および放射損失などとの関係は、数学的に正確に解明されておらず、信号波長のみを考慮したスルーホールの配置が真に最適な状態であるとは限らない。
【０００７】
本発明はかかる問題点に鑑みてなされたもので、その目的は、スルーホールの配置の最適化を図り、効率的に電磁波の伝播を行うことができるようにした共振器を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明による共振器は、誘電体基板と、この誘電体基板を挟んで互いに対向するグランド電極と、これら対向するグランド電極間を導通して側壁を形成する複数のスルーホールとを有し、それら対向するグランド電極およびスルーホールで囲まれた領域を利用して電磁波が伝播されるようにした共振器であって、複数のスルーホールが、隣接するスルーホール同士の中心間隔をｄ、各スルーホールの半径をｒとして、以下の条件式（Ａ−１）を満足するように配置されているものである。
３．６ｒ＜ｄ＜４．０ｒ ……（Ａ−１）
【００１０】
本発明による共振器では、スルーホールの配置が、隣接するスルーホール同士の中心間隔ｄと各スルーホールの半径ｒとの関係により規定される。信号波長などに関係なく、スルーホールの配置の最適化が図られる。
【００１３】
本発明による共振器において、複数のスルーホールを、隣接するスルーホール間の非伝播領域における電磁波の減衰が、２０ｄＢ以上となるように配置するようにしても良い。
【００１４】
また、複数のスルーホールを、隣接するスルーホール間の非伝播領域における電磁波の減衰が、１５ｄＢ以上となるように配置するようにしても良い。
【００１５】
また、電磁波の強度分布が不均一となっている場合において、複数のスルーホールが、電磁界強度が相対的に強い領域ほど、中心間隔ｄが、スルーホールの半径ｒに対して小さい値となるように配置されていることが好ましい。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。
【００１９】
図１および図２は、本発明の一実施の形態に係る高周波モジュールの構成を説明するためのものであり、その要部を簡略化して示している。図１および図２のいずれの構成例も、スルーホールを用いた積層型の導波管構造を有しており、図１は電磁波の伝播領域が全体として円柱形状、図２は電磁波の伝播領域が全体として直方体形状となっている。これらの積層型の導波管を用いた高周波モジュールは、他の伝送路および共振器などと組み合わされ、例えば高周波信号用の伝送路およびフィルタなどとして使用される。
【００２０】
図１に示した円柱型導波管１０は、誘電体基板１１と、この誘電体基板１１を挟んで互いに対向するグランド電極１２，１３と、これらグランド電極１２，１３間を導通する複数のスルーホール１４とを有している。スルーホール１４の内面は、メタライズされている。スルーホール１４の断面形状は、ほぼ円形となっている。
【００２１】
この円柱型導波管１０は、複数のスルーホール１４によって電磁波に対する擬似的な導体壁を形成している。そして、複数のスルーホール１４とグランド電極１２，１３とにより囲まれた領域内を電磁波が伝播するようになっている。複数のスルーホール１４は、全体としてほぼ円形に配列されており、これにより、グランド電極１２，１３とで形成された電磁波の伝播領域は、全体としてほぼ円柱形状となっている。なお、この円柱型導波管１０は、その電磁波の伝播領域が誘電体で満たされた誘電体導波管の構成であっても良いし、内部を空洞にしたキャビティ導波管の構成であっても良い。
【００２２】
この円柱型導波管１０を他の伝送路などに接続・結合する場合、例えばグランド電極１２，１３の一部、またはスルーホール１４によって形成された側壁の一部に接続・結合用の結合窓が設けられ、その結合窓を介して他の伝送路などが間接的または直接的に接続・結合される。その接続・結合構造は、特に限定されるものではなく、従来からある一般的な技術を用いることができる。
【００２３】
図４および図５はそれぞれ、この円柱型導波管１０の部分断面図および部分平面図を示している。この円柱型導波管１０は、部分的にみると、隣接する２つのスルーホール１４Ａ，１４Ｂとグランド電極１２，１３とにより、四方（上下左右）が電極で覆われた単純な導波管構造ができているものともいえる。
【００２４】
なお、図では、導波管の厚み（高さ）方向をｚ、幅方向をｘ、それらｚ，ｘ方向に直交する方向をｙとしている。また以下の説明では、図６に示したように、スルーホール１４Ａ，１４Ｂのそれぞれの中心位置をＣ１，Ｃ２、スルーホール１４Ａ，１４Ｂの中心間隔をｄ、各スルーホール１４Ａ，１４Ｂの半径をｒ、スルーホール１４Ａ，１４Ｂの外周間の最短距離（スルーホールギャップ）をｇと表記する。
【００２５】
このような導波管構造において、スルーホールギャップｇが遮断波長以下であるとすると、その間を図５のｙ方向に入射する電磁波Ｓは、一般に指数関数的に減衰する。この電磁波Ｓは、スルーホールギャップｇが大きくなるほど、隣接する２つのスルーホール１４Ａ，１４Ｂの間から漏れ出しやすくなる。従って、スルーホール１４は、電磁波Ｓが伝播領域の外側に漏れ出さないよう、所定値以下の間隔で設けられている必要がある。所定値以下の間隔であれば、すべてのスルーホール１４が一定の間隔で設けられている必要はなく、不規則な間隔で設けられていても構わない。
【００２６】
具体的には、この円柱型導波管１０では、隣接する２つのスルーホール１４Ａ，１４Ｂの間から電磁波Ｓが必要以上に漏れ出さないよう、スルーホール１４が以下の条件式（Ａ）を満足するように配置されている。なお、電磁波の周波数帯域は、例えば２０ＧＨｚ〜１２０ＧＨｚ程度、より好ましくは２０ＧＨｚ〜６０ＧＨｚ程度となっている。
２．０ｒ＜ｄ＜１０．０ｒ ……（Ａ）
【００２７】
ここで、この円柱型導波管１０を、共振器として使用する場合には、特に、以下の条件式（Ａ−１）を満足するように配置されていることが好ましい。
３．６ｒ＜ｄ＜４．０ｒ ……（Ａ−１）
【００２８】
また伝送路として使用する場合には、特に、以下の条件式（Ａ−２）を満足するように配置されていることが好ましい。
３．６ｒ＜ｄ＜１０．０ｒ ……（Ａ−２）
【００２９】
さらに、これらの条件式と共に、以下の条件式を満たすようにスルーホールを配置しても良い。λ０は、使用周波数帯内の少なくとも一部の周波数の遮断周波数ｆ０に相当する波長である。ｇは、スルーホールギャップであり、ｇ＝ｄ−２ｒである。
λ０／４＜ｇ
【００３０】
また、共振器として使用する場合には、一般的に、複数のスルーホール１４を、隣接するスルーホール間の非伝播領域における電磁波の減衰が、２０ｄＢ以上となるように配置されていることが好ましい。より好ましくは「２５ｄＢ〜３０ｄＢ」の範囲となるように配置されていると良い。
【００３１】
また、伝送路として使用する場合には、一般に共振器に比べて許容される減衰度が小さくて構わない。具体的には一般的に、電磁波の減衰が５ｄＢ以上、より好ましくは１５ｄＢ以上となるように配置されていれば良い。
【００３２】
なお、以上の条件式および電磁波の減衰度の範囲の根拠については、後述する。
【００３３】
図２に示した直方体型導波管２０は、電磁波の伝播領域が直方体形状となっている以外は、基本的に図１の円柱型導波管１０と同様の構造となっている。すなわち、この直方体型導波管２０も、誘電体基板２１と、この誘電体基板２１を挟んで互いに対向するグランド電極２２，２３と、これらグランド電極２２，２３間を導通する複数のスルーホール２４とを有している。
【００３４】
この直方体型導波管２０では、複数のスルーホール２４が、全体としてほぼ方形に配列されており、これにより、グランド電極２２，２３とで囲まれた電磁波の伝播領域が、全体としてほぼ直方体形状となっている。
【００３５】
この直方体型導波管２０においても、スルーホール２４は、電磁波が伝播領域の外側に漏れ出さないよう、所定値以下の間隔で設けられている必要がある。この場合、基本的には、上述の円柱型導波管１０と同様の間隔で設けられていれば良いと考えられるが、直方体型導波管２０では、一般に、スルーホール２４によって形成される壁面部分での電磁波の強度分布が不均一となっているので、スルーホール２４を、その電磁波の強度分布を考慮した配置にすることが望ましい。
【００３６】
図３は、直方体型導波管２０における最低次のモードでのＨ面（磁界に平行な面）内での磁界の強度分布の例を示している。図中、ハッチングを施した領域が磁界強度が強い領域である。このように、直方体型導波管２０では、例えば壁面の中央部分で磁界強度が相対的に強くなる。スルーホール２４によって形成された側壁部分においては、電磁波の強度分布が強くなっている領域ほど電磁波が漏れ出しやすいと考えられるので、電磁界強度が相対的に強い領域ほど、スルーホール２４を設ける間隔を狭くすることが好ましい。すなわち、電磁界強度が相対的に強い領域ほど、中心間隔ｄが、スルーホールの半径ｒに対して小さい値となるように配置されていることが好ましい。
【００３７】
以上の構成の円柱型導波管１０および直方体型導波管２０では、スルーホール１４，２４の配置が、隣接するスルーホール同士の中心間隔ｄと各スルーホールの半径ｒとの関係により規定される。信号波長などに関係なく、スルーホール１４，２４の配置の最適化が図られる。
【００３８】
次に、スルーホールの配置を決定する方法について説明する。上述の条件式および電磁波の減衰度の範囲の根拠も併せて説明する。
【００３９】
スルーホール１４の配置を決定するために、電磁波が隣接するスルーホール１４Ａ，１４Ｂの間を通過するときの減衰度について考察する。
【００４０】
（１）スルーホールの間隔と減衰度。
まず、誘電体基板１１の比誘電率εｒ＝７．３、信号周波数ｆ＝２５ＧＨｚ、およびスルーホール半径ｒ＝０．１ｍｍを固定値とし、スルーホール中心間隔ｄ（図６参照）を連続的に変化させたときの減衰度を測定した。
【００４１】
図７に、その測定結果を横軸をｄ（ｍｍ）、縦軸を減衰度Ａ（ｄＢ）としてグラフ化して示す。グラフから、ｄ＝０．２ｍｍ（すなわち、ｄ＝２ｒ）で、減衰度が発散しているのが分かる。ｄ＝２ｒのときは、スルーホールギャップｇがゼロになり、伝送路を完全に塞いでしまうためで、納得できる結果である。
【００４２】
（２）減衰度の周波数依存性。
次に、減衰度の周波数依存性を調べた。誘電体基板１１の比誘電率εｒ＝７．３、スルーホール中心間隔ｄ＝０．４ｍｍ、およびスルーホール半径ｒ＝０．１ｍｍ（すなわち、スルーホールギャップｇ＝スルーホール直径２ｒ）を固定値とし、信号周波数を連続的に変化させたときの減衰度Ａの変化を測定した。
【００４３】
図８に、その測定結果を横軸を周波数（ＧＨｚ）、縦軸を減衰度Ａ（ｄＢ）としてグラフ化して示す。この測定結果を見て分かるとおり、１２０ＧＨｚ付近までは、ほとんど減衰度Ａの値が変化していないことが分かる。特に、６０ＧＨｚ付近までは減衰度Ａがほぼ平坦となっている。すなわち、２０ＧＨｚ〜１２０ＧＨｚ程度までは減衰度Ａが周波数にほとんど依存性しないことがわかる。導波管の通常の使用周波数は２０ＧＨｚ〜３０ＧＨｚであるが、この周波数範囲内であれば、周波数依存性は無視して良いレベルである。
【００４４】
（３）減衰度Ａの比誘電率依存性。
次に、減衰度の比誘電率依存性を調べた。スルーホール中心間隔ｄ＝０．４ｍｍ、信号周波数ｆ＝２５ＧＨｚ、およびスルーホール半径ｒ＝０．１ｍｍを固定値とし、比誘電率を１〜２００まで変化させたときの減衰度Ａの変化を測定した。
【００４５】
図９に、その測定結果を横軸を比誘電率εｒ、縦軸を減衰度Ａ（ｄＢ）としてグラフ化して示す。図９より、スルーホール１４を用いた導波管の減衰度は、通常使用する誘電体の範囲内では、誘電体基板１１の材質にほとんど依存しないことが分かる。
【００４６】
以上の測定結果から、スルーホール１４を用いた導波管構造においては、周波数および比誘電率に対して減衰度がほとんど依存しないという結果が得られた。これは従来の考えとは異なるものであり、非常に面白い結果である。これは、スルーホール１４で作られた導波管構造では、その遮断波長が実際の信号周波数の波長と比べて非常に短いために、その減衰度が、周波数および基板の比誘電率にほとんど依存せず、スルーホール１４で作られる導波管の遮断波長にのみ依存しているからだと考えられる。
【００４７】
（４）スルーホールの間隔と半径。
次に、スルーホール中心間隔ｄとスルーホール半径ｒとが減衰度Ａに与える影響について考える。
【００４８】
まず、誘電体基板１１の比誘電率εｒ＝７．３、信号周波数ｆ＝２５ＧＨｚを固定値とし、スルーホール半径ｒを０．１ｍｍ，０．２ｍｍ，０．３ｍｍと変化させたときの、スルーホール中心間隔ｄと減衰度Ａとの関係を測定した。図１０に、その測定結果を横軸をｄ（ｍｍ）、縦軸を減衰度Ａ（ｄＢ）としてグラフ化して示す。
【００４９】
図１０において、スルーホール中心間隔ｄがスルーホール半径ｒの４倍（ｄ＝４ｒ、すなわち、スルーホールギャップｇ＝スルーホール直径２ｒ）の所の減衰度を、スルーホール半径０．１ｍｍ、０．２ｍｍ、０．３ｍｍの場合それぞれについて比較すると、いずれも約２３ｄＢの減衰で同じ値になる。これは、スルーホール中心間隔ｄとスルーホール半径ｒとの比が一定であれば、ほぼ同じ減衰度が得られるということである。
【００５０】
図１１は、図１０に示した測定結果に対して、今度はスルーホール中心間隔ｄをスルーホール半径ｒで規格化し、横軸を（ｄ／ｒ）として再プロットしたグラフである。このグラフからも、スルーホール半径ｒとスルーホール中心間隔ｄとの比が一定であれば、減衰度はほぼ一致するという測定結果が得られた。次に、この現象の物理的意味を考える。
【００５１】
図１２（Ａ）〜（Ｃ）に、スルーホール半径ｒ＝０．１ｍｍ，０．２ｍｍ，０．３ｍｍに対して、ｄ＝４ｒの条件を満たすスルーホール１４の配置を示す。以下、図１２（Ａ）〜（Ｃ）の配置を、それぞれｃａｓｅ１、ｃａｓｅ２、ｃａｓｅ３と表記する。
【００５２】
図１０に示した測定結果より、ｃａｓｅ１、ｃａｓｅ２、ｃａｓｅ３のそれぞれに対して、この導波路を通過する電磁波はまったく同じ減衰度で減衰する。ｃａｓｅ３（図１２（Ｃ））とｃａｓｅ１（図１２（Ａ））とを比較すると、ｃａｓｅ３の方がスルーホール間の幅が広いので、減衰定数が小さい。しかし、ｃａｓｅ３の方がスルーホール１４の直径が大きいのでｃａｓｅ１と比較して減衰距離が３倍長い。つまり、ｃａｓｅ３は、ｃａｓｅ１の場合と比較すると、スルーホール間の幅が広いので単位長さ当たりの減衰度は小さいが、減衰距離が長いためにその減少分を補い、全体の減衰度はｃａｓｅ１と同じになっていることを意味する。
【００５３】
以上の測定結果から、要求される減衰度の値が決まっていれば、図１１のグラフから中心間隔ｄと各スルーホールの半径ｒとの関係を求めることができ、それに基づいてスルーホールの配置を決定することができることが示された。
【００５４】
例えば、円柱型導波管１０を伝送路として使用する場合には、要求される減衰度が約５ｄＢ以上であるものとすると、これに対応するｄ，ｒの関係は、図１１のグラフから以下の条件式（Ａ）のように求められる。
２．０ｒ＜ｄ＜１０．０ｒ ……（Ａ）
【００５５】
また、以上の測定結果を別の観点から考えると、複数のスルーホール１４で構成された導波管では、スルーホール径を大きくし、かつ減衰度を同一にする場合、スルーホール１４を設ける個数を減らすことができることが分かる。
【００５６】
＜スルーホールを用いた円柱型導波管共振器の無負荷Ｑ＞
以上までの測定結果で、スルーホールによる電磁波の減衰度をある程度理解することができた。ところで、減衰度Ａと共振器の無負荷Ｑとには何らかの相関があるはずである。そこで、次に、円柱型導波管１０を共振器として構成した場合の基底モードでの無負荷Ｑを測定し、その結果の検証を行った。
【００５７】
図１３（Ａ）〜（Ｇ）は、測定対象にした円柱型導波管共振器におけるスルーホール１４の配置パターンを示している。スルーホール１４の配置パターンは、角度θの回転対称性を有するような配置となっている。図１３（Ａ）〜（Ｇ）の配置パターンのそれぞれにおける角度θは、３０°，２４°，２０°，１８°，１５°，１２°，１０°となっている。
【００５８】
なお、角度θとは、図１４に示したように、共振器全体の中心位置Ｃ０と隣り合うスルーホール１４Ａ，１４Ｂのそれぞれの中心位置Ｃ１，Ｃ２とを結んだ２直線の開き角である。
【００５９】
図１３（Ａ）〜（Ｇ）の円柱型導波管共振器は、各スルーホールの半径ｒが０．１ｍｍ、誘電体（ｓ３９材）の比誘電率εｒが７．３、約２５ＧＨｚの周波数で共振するように設計されている。また、共振器全体の中心位置Ｃ０から共振器の最も外側の面５１（図１４参照）までの長さを３．０ｍｍ、共振器中心Ｃ０からスルーホール１４までの長さＲを１．７ｍｍとしている。共振器の底面と上面にあるグランド電極１２，１３の導体部分は、電気伝導度σ＝３．０Ｅ７（Ｅ７＝１０⁷）とした。放射損失を評価するために、共振器の最も外側の面５１の導体の電気伝導度σが３．０Ｅ７の場合と、σ＝１の場合との２種類について測定を行った。
【００６０】
なお、測定モデルとして円柱型共振器を用いた理由は、円柱型共振器の基底モードが角度方向の依存性が無く、すべてのスルーホール１４に対して等しい条件になる点（直方体共振器の場合、導波管壁面において磁界強度がｓｉｎ関数で分布してしまう）と、電磁波がスルーホール１４で構成される導波管壁面に垂直に入射するという条件を満たしてくれる点が挙げられる。
【００６１】
・測定結果（１）（ｒ＝０．１ｍｍの場合）
図１５（Ａ）〜（Ｃ）に、その測定結果をまとめて示す。共振器の厚みｈは、０．２ｍｍ，０．３ｍｍ，０．４ｍｍの三種類として測定した。「ｆ，Ｑ」は、共振器の最も外側の面５１を金属で覆った場合（σが３．０Ｅ７の場合、つまり放射損失ゼロ）に対する共振周波数および無負荷Ｑの値で、「ｆｒ，Ｑｒ」は、外側の面５１の電気伝導度σを１にした場合（つまり放射損失有り）の値となっている。また比較のために、共振器の側面をスルーホールではなく通常の金属壁とした場合の共振周波数と無負荷Ｑの理論値を記載してある。図１５（Ａ）〜（Ｃ）の測定結果から、スルーホール中心間隔ｄが短くなる（角度θが小さくなる）に従って、放射損失を加えた無負荷Ｑ（Ｑｒ）の値が段々大きくなって理論値の無負荷Ｑ近くの値で飽和することが分かる。
【００６２】
次に、スルーホール半径ｒを変えたときの無負荷Ｑについて考察する。既に説明したように、図４の導波管構造においては、スルーホール半径ｒとスルーホール中心間隔ｄの比が一定であれば、２つのスルーホール１４Ａ，１４Ｂで構成される非伝播領域における電磁波の減衰度Ａがほぼ一定になる。スルーホール１４の半径ｒと中心間隔ｄとの比ｒ／ｄが一定であれば、減衰度Ａも一定であるということは、半径ｒを大きくした場合、同じ比率で中心間隔ｄも大きくすれば、各構成でほぼ同等の減衰度Ａが得られることを示している。
【００６３】
図１６に、図１３（Ａ）〜（Ｇ）の円柱型導波管共振器における回転対称角θとｒ／ｄとの関係を示す。この場合のスルーホール半径ｒの値は、上述したように０．１ｍｍである。この円柱型導波管共振器において、共振器半径Ｒ（図１４参照）を固定とし、スルーホール中心間隔ｄを広くするためには、回転対称角θを大きくしなければいけない。
【００６４】
ここで、円柱型共振器におけるスルーホール中心間隔ｄは、以下の（１）式によって求まる（Ｒ，ｒ，ｄ，θの関係は、図１４参照）。
【００６５】
【数１】

【００６６】
（１）式から、回転対称角θの関係式を求めると、以下の（２），（３）式が得られる。
【００６７】
【数２】

【数３】

【００６８】
ｒ／ｄを図１６に示した値に固定し、スルーホール半径ｒを０．２ｍｍ，０．３ｍｍと変化させた場合における回転対称角θを（３）式に従って求めると、図１７に示したようになる。
【００６９】
・測定結果（２）（ｒ＝０．２ｍｍ，０．３ｍｍの場合）
図１８（Ａ）〜（Ｃ）および図１９（Ａ）〜（Ｃ）に、スルーホール半径ｒを０．２ｍｍ，０．３ｍｍとし、回転対称角を図１７に示したように大きくさせた場合における減衰度Ａおよび無負荷Ｑ等の測定結果を示す。共振器の厚みｈは、０．２ｍｍ，０．３ｍｍ，０．４ｍｍの三種類として測定した。「ｆ，Ｑ」，「ｆｒ，Ｑｒ」などの示す意味は、上述のｒ＝０．１ｍｍとした場合と同様である。
【００７０】
いずれの結果を見ても、減衰度Ａがスルーホール１４Ａ，１４Ｂ間の非伝播領域において約２６ｄＢとなる所では、理論値に近い値で無負荷Ｑが飽和している。また、中心間隔ｄが広く（角度θが大きく）、十分な減衰が得られていないところでは、電磁波が漏れ出し放射損失になってしまっているために、無負荷Ｑ（Ｑｒ）が、放射損失無しで測定した場合の無負荷Ｑ（Ｑ）と比較して著しく低下している。
【００７１】
・測定結果（１），（２）のまとめ。
以上、図１５（Ａ）〜（Ｃ）、図１８（Ａ）〜（Ｃ）および図１９（Ａ）〜（Ｃ）において、スルーホール半径ｒ＝０．１ｍｍ，０．２ｍｍ，０．３ｍｍのそれぞれについての測定結果が示された。図２０に、これらの測定結果から得られたスルーホール部の減衰度Ａと無負荷Ｑ（Ｑｒ）との関係を、横軸を減衰度Ａ（ｄＢ）、縦軸を無負荷Ｑとしてグラフ化して示す。厚みｈ＝０．２ｍｍ，０．３ｍｍ，０．４ｍｍのそれぞれの場合における、円柱型共振器の理論値の無負荷Ｑについても一点鎖線で示している。
【００７２】
図１５（Ａ）〜（Ｃ）、図１８（Ａ）〜（Ｃ）および図１９（Ａ）〜（Ｃ）、ならびに図２０のグラフから分かるように、スルーホール１４を段々密に配置していく（中心間隔ｄを小さくしていく）ことによって、理論値の無負荷Ｑに近づいていくことが分かる。
【００７３】
図２０より、スルーホール部の減衰を約２５ｄＢ〜３０ｄＢ位までとれば、ほぼ理論値の無負荷Ｑに近い値を得ることができることが分かる。これは、図１１に示した規格化された中心間隔ｄ／ｒと減衰度Ａとの関係を参照すると、スルーホール中心間隔ｄを、スルーホール半径ｒの約３．６倍から４．０倍に設定すれば十分放射を妨げることを意味する。
【００７４】
すなわち、円柱型共振器をスルーホール１４を用いて構成する場合において、好ましい無負荷Ｑを得るためには、信号波長などに関係なく、以下の条件式（Ａ−１）を満足するように配置すれば良い。
３．６ｒ＜ｄ＜４．０ｒ ……（Ａ−１）
【００７５】
また、スルーホール１４を用いて円柱型の伝送路を構成する場合においては、減衰を約５ｄＢ〜３０ｄＢ位まで許容できると考えられる。この場合にも同様にして図１１から中心間隔ｄと半径ｒとの関係を求めると、以下の条件式（Ａ−２）が得られる。
３．６ｒ＜ｄ＜１０．０ｒ ……（Ａ−２）
【００７６】
また従来では、遮断波長以下の間隔でスルーホールを配置するような例があるが、本実施の形態では、遮断波長以下に限らず、上記各条件式と共に、例えば以下の条件式を満たすようにスルーホールを配置しても良い。λ０は、使用周波数帯内の少なくとも一部の周波数の遮断周波数ｆ０に相当する波長である。ｇは、スルーホールギャップであり、ｇ＝ｄ−２ｒである。
λ０／４＜ｇ
【００７７】
図２１（Ａ）〜（Ｃ）および図２２（Ａ）〜（Ｃ）は、以上の測定結果から得られた好ましい円柱型共振器の具体的な構成例を示している。これらの図では構成を簡略化し、かつ部分的にのみ示しているが、基本的な全体構造は、図１に示した円柱型導波管１０と同様である。
【００７８】
これらの円柱型共振器は、スルーホール部で約３８ｄＢの減衰を得られる構造例であり、厚みｈはいずれも０．４ｍｍとし、それぞれのスルーホール５４Ａ，５４Ｂ，５４Ｃの半径ｒは０．１ｍｍ，０．２ｍｍ，０．３ｍｍとなっている。いずれの場合も無負荷Ｑは約５３０であり、ほぼ理論値の無負荷Ｑと同じ値を得ることができる構造となっている。図の構成例からも分かるように、スルーホール半径ｒを大きくする場合は、それに応じて中心間隔ｄを広くすれば、同等の無負荷Ｑが得られる。つまり、スルーホール径を大きくすることによって、スルーホール数を減らすことが可能であることが証明されたことを意味する。
【００７９】
以上のように、スルーホール半径ｒ、スルーホール中心間隔ｄ、および放射損失の関係について、ある程度解析することができた。解析結果から分かったことは、これまでの常識とは異なり、スルーホール１４を設ける基板の比誘電率および周波数が、基板内の電磁波の減衰にはほとんど影響を与えないということである。この結果は、応用範囲が広く、基板設計においても応用できる。
【００８０】
すなわち、基板１１に設けるスルーホール１４の間隔は、波長に対して考えるのではなく、スルーホール半径ｒとスルーホール中心間隔ｄとの比で考えなければいけないことを意味する。例えば今回、周波数が２５ＧＨｚでの減衰度を測定したが、実際には減衰度の値は１ＧＨｚであってもほとんど変わらない値しか得られない。
【００８１】
従って、例えば図１に示した円柱型導波管１０を設計する場合、要求される電磁波の減衰度から、図１１に示したグラフを用いて中心間隔ｄと各スルーホールの半径ｒとの関係を求め、その求められた関係に基づいて、各スルーホールの配置を決定すれば良い。
【００８２】
なお、今回は、角度依存性の無い円柱タイプの構造について測定を行ったが、直方体構造のものについても、ほぼ同様のことがいえると考えられる。ただし、直方体構造では、壁面で電磁波が均一でないので、その分布に応じてスルーホールの間隔を変えることが可能であるのではないかと考えられる。
【００８３】
以上説明したように、本実施の形態によれば、スルーホールの配置を、隣接するスルーホール同士の中心間隔ｄと各スルーホールの半径ｒとの関係により規定するようにしたので、信号波長などに関係なく、スルーホールの配置の最適化を図ることができる。このように配置されたスルーホールを有する高周波モジュールによって、効率的に電磁波の伝播を行うことができる。
【００８４】
本発明は、以上の実施の形態に限定されず種々の変形実施が可能である。例えば、上記実施の形態では、グランド電極が２層である構成の例を示したが、３層以上のグランド電極を有した多層構造のものにも適用可能である。また、本発明によるスルーホールの配置方法は、円柱型導波管１０および直方体型導波管２０に限らず、スルーホールを用いた積層構造の他の導波管にも適用の可能性がある。
【００８５】
また、上記実施の形態では、スルーホールの断面形状が円形である場合について説明したが、円形に類似した多角形状または円形に近い楕円形状等であっても、ほぼ同様の配置で同様の効果が得られると考えられる。また、各スルーホールの半径ｒが完全に同一でなくとも、少なくとも製造誤差程度の範囲内であれば、ほぼ同様の配置で同様の効果が得られると考えられる。
【００８６】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項１ないし４のいずれか１項に記載の共振器によれば、スルーホールの配置を、隣接するスルーホール同士の中心間隔ｄと各スルーホールの半径ｒとの関係により規定するようにしたので、信号波長などに関係なく、スルーホールの配置の最適化を図ることができる。このように配置されたスルーホールを有する共振器によって、効率的に電磁波の伝播を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態に係る高周波モジュールの一例としての円柱型導波管の要部構成を説明するための斜視図である。
【図２】本発明の一実施の形態に係る高周波モジュールの一例としての直方体型導波管の要部構成を説明するための斜視図である。
【図３】多角形状の導波管における磁界分布の例を示す説明図である。
【図４】非伝播領域における電磁波の減衰度を求めるために単純化した導波管構造を示す断面図である。
【図５】図４に示した導波管の平面図である。
【図６】スルーホールギャップ、スルーホール半径およびスルーホール中心間隔の概念を示す説明図である。
【図７】スルーホール中心間隔ｄと減衰度との関係をグラフ化して示した図である。
【図８】減衰度の周波数依存性を調べるために、周波数と減衰度との関係をグラフ化して示した図である。
【図９】減衰度の比誘電率依存性を調べるために、比誘電率と減衰度との関係をグラフ化して示した図である。
【図１０】スルーホール半径ｒを変化させたときの、スルーホール中心間隔ｄと減衰度との関係をグラフ化して示した図である。
【図１１】図１０に示した測定結果に対して、スルーホール中心間隔ｄをスルーホール半径ｒで規格化して示した図である。
【図１２】中心間隔ｄがスルーホール半径ｒに対して４倍の値となる場合のスルーホールの配置例を示す説明図である。
【図１３】無負荷Ｑの測定対象にした円柱型導波管共振器におけるスルーホールの配置パターンを示す図である。
【図１４】無負荷Ｑの測定に用いたパラメータについての説明図である。
【図１５】円柱型導波管共振器における減衰度と無負荷Ｑとの相関を調べた測定結果を示す図である。
【図１６】図１３（Ａ）〜（Ｇ）に示した円柱型導波管共振器における回転対称角θと、スルーホール半径ｒおよび中心間隔ｄの比ｒ／ｄとの関係を示す図である。
【図１７】図１６に示した比ｒ／ｄの値を固定し、スルーホール半径ｒを変化させた場合に得られる回転対称角θの値を示す図である。
【図１８】図１７に示したスルーホール半径ｒと回転対称角θとの関係に基づいて、円柱型導波管共振器における減衰度と無負荷Ｑとの相関を調べた第１の測定結果を示す図である。
【図１９】図１７に示したスルーホール半径ｒと回転対称角θとの関係に基づいて、円柱型導波管共振器における減衰度と無負荷Ｑとの相関を調べた第２の測定結果を示す図である。
【図２０】図１５（Ａ）〜（Ｃ）、図１８（Ａ）〜（Ｃ）および図１９（Ａ）〜（Ｃ）に示した測定結果をグラフ化して表した図である。
【図２１】測定結果から得られた好ましい円柱型共振器の具体的な構成例を簡略化して示す平面図である。
【図２２】測定結果から得られた好ましい円柱型共振器の具体的な構成例を簡略化して示す斜視図である。
【符号の説明】
１０…円柱型導波管、１４（１４Ａ，１４Ｂ），２４，…スルーホール、２０…直方体型導波管。

Claims

誘電体基板と、この誘電体基板を挟んで互いに対向するグランド電極と、これら対向するグランド電極間を導通して側壁を形成する複数のスルーホールとを有し、それら対向するグランド電極およびスルーホールで囲まれた領域を利用して電磁波が伝播されるようにした共振器であって、
前記複数のスルーホールが、
隣接するスルーホール同士の中心間隔をｄ、各スルーホールの半径をｒとして、以下の条件式（Ａ−１）を満足するように配置されている
ことを特徴とする共振器。
３．６ｒ＜ｄ＜４．０ｒ ……（Ａ−１）
電磁波の強度分布が不均一となっている共振器において、
前記複数のスルーホールが、電磁界強度が相対的に強い領域ほど、中心間隔ｄが、スルーホールの半径ｒに対して小さい値となるように配置されている
ことを特徴とする請求項１に記載の共振器。
電磁波の周波数帯域が２０ＧＨｚ〜１２０ＧＨｚの範囲となっている
ことを特徴とする請求項１または２に記載の共振器。
使用周波数帯内の少なくとも一部の周波数の遮断周波数ｆ０に相当する波長をλ０としたとき、
λ０／４＜ｇ
（ただし、ｇ＝ｄ−２ｒ）
を満たすことを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載の共振器。