JP4044865B2

JP4044865B2 - 空胴共振器を用いたフィルタおよびその製造方法

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Publication number: JP4044865B2
Application number: JP2003132445A
Authority: JP
Inventors: 康次郎南谷
Original assignee: New Japan Radio Co Ltd
Current assignee: New Japan Radio Co Ltd
Priority date: 2003-05-12
Filing date: 2003-05-12
Publication date: 2008-02-06
Anticipated expiration: 2023-05-12
Also published as: JP2004336586A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、所望の周波数帯を通過し、不要な周波数帯を阻止するマイクロ波やミリ波用のフィルタに関する。さらに詳しくは、レーダ装置などの大電力を扱う装置に組み込まれて使用される、空胴共振器を用いたフィルタに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、空胴を用いた帯域通過フィルタとして、図５に概念図で示される構造のものが知られている。これは、矩形導波管３１にアイリス板３２を挿入した構造で、アイリス板３２が誘導性の結合窓（リアクタンス素子）として作用し、これが複数枚、約λｇ／２の間隔で配置されている。ここでλｇは管内波長である。この２枚のアイリス板３２と矩形導波管３１の管壁で囲まれた空間により空胴共振器が構成され、隣接する共振器により所望の帯域特性が得られるように、アイリス板３２が形成されている。図５に示される例では、３個の空胴共振器が接続されたものであり、このように複数の空胴共振器を接続してフィルタを構成することで、１個の空胴共振器でフィルタを構成するのに比べて、阻止帯域の減衰量を急激に、すなわち通過帯域に近い阻止周波数において大きな減衰量が得られるフィルタを構成することが可能である（たとえば特許文献１参照）。
【０００３】
近年、パルスレーダ装置においても、電波資源の有効利用などの観点から、不要輻射に対する規制が厳しくなりつつある。パルスレーダ装置はパルス駆動であるので、送信周波数の近傍にパルス波形のフーリエ変換に対応したスペクトラムの広がりが生じる。不要輻射規制では、このパルス駆動に起因するスペクトラムの広がりも規制対象となっている。このスペクトラムの広がりを抑えることを目的として、急激な減衰特性をもった複数個の空胴共振器を用いたフィルタを利用することが考えられている。
【０００４】
【特許文献１】
特開平１１−３０８０１２号公報（図５）
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上記のような複数個の空胴を用いた大電力用の帯域通過フィルタでは、その特性を調整することが困難であるという問題がある。すなわち、複数の空胴共振器は、その製造段階での微妙な寸法のバラツキによる特性のバラツキを製造後に調整する機構を設ける必要があるが、複数個の空胴共振器は相互に結合しているため、いずれかの空胴共振器の調整と、フィルタの周波数特性との関係が一定せず、試行錯誤をしなければならない。従来の調整機構として一般的には、空胴共振器にネジを設け、そのネジの空胴共振器への挿入長を変化させることで、その部分での容量値を変化させ、空胴共振器の共振周波数を変化させるものが用いられている。このようなネジの挿入長の変化であれば、試行錯誤を行っても部品の機械的疲労は生じないし、挿入長を大幅に変化させることにより、フィルタの周波数特性のどの部分に影響するかが分りやすいため調整することは可能である。
【０００６】
しかし、レーダ装置などの大電力のマイクロ波やミリ波を使用する装置においては、挿入されたネジの先端部分で、マイクロ波電界集中による放電が発生する可能性があるので、空胴共振器内にマイクロ波電界が集中する突起部分を設けることはできない。そのため、空胴を変形して調整をする必要があるが、壁面を変形する場合、調整を何回も繰返すと金属疲労を生じるため何回もやり直すことができないと共に、大幅に変形をさせて周波数特性のどこに影響するかを確かめることもできない。また、設計段階においても、３段以上の空胴共振器が接続された形状のフィルタを、そのままの形状でシミュレーションを行い、機械寸法を決定することも困難である。そのため、１個の空胴共振器の場合には壁面を変形させることにより共振周波数の調整を行うことはあるが、空胴共振器を多段に接続するフィルタでは実用化されていない。結果として、大電力用で、スペクトラムの広がりも抑制し得るような減衰特性の急峻なフィルタは実用化されていない。
【０００７】
本発明は、このような問題を解決するためになされたもので、複数の空胴共振器の特性調整を容易に行うことが可能で、また、設計段階でのシミュレーションを容易に、すなわち短期間で設計を行うことが可能な構造のフィルタおよびその製造方法を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため本発明による空胴共振器を用いたフィルタは、共振周波数を調整し得るように変形可能な壁面を有する空胴共振器が、前記変形可能な壁面と対向する壁面に形成される第１の結合窓を介して２個接続されることにより単位フィルタが形成され、該単位フィルタには他の空胴共振器または導波管と結合するための第２および第３の結合窓が前記変形可能な壁面と異なる壁面の２ヵ所に形成され、前記単位フィルタが、前記第２および第３の結合窓の少なくとも一方を介して複数個接続されていることを特徴とする。
【００１０】
この構造にすることにより、単位フィルタごとにフィルタの周波数特性を調整することができるため、単位フィルタを構成する２個の空胴共振器で共振周波数を調整することができる。そのため設計も容易になり、製造上のバラツキを補正する程度に作り込むことができるため、調整も僅かな調整ですみ、非常に簡単に所望の共振特性が得られる。その結果、壁面の変形により調整を行っても、金属疲労を生じることなく、確実に調整することができる。そして、その単位フィルタを所望の結合度が得られる結合窓を介して接続するだけで、多段の空胴共振器を形成することができるため、ビスを挿入することなく、空胴共振器を多段に接続した非常に高性能なフィルタを簡単に得ることができる。
【００１１】
前記単位フィルタの第１の結合窓が、前記空胴共振器の前記変形可能な壁面と対向する壁面に形成されることにより、前記単位フィルタが形成される構造にすることができる。このような構造にすることにより、変形可能な壁面が第１の結合窓と対向する側に設けられ、導波管による電波の進行方向と直角方向に２個の空胴共振器を並べて単位フィルタを構成することができるため、導波管による電波の進行方向に多段に単位フィルタを接続しても、進行方向の長さが短くて小型のフィルタを構成することができる。
【００１２】
本発明による空胴共振器を用いたフィルタの製造方法は、共振周波数を調整し得るように変形可能な壁面を有する空胴共振器を、第１の結合窓を介して２個接続すると共に、他の空胴共振器または導波管と結合するための第２および第３の結合窓を前記変形可能な壁面と異なる壁面の２ヵ所に形成することにより単位フィルタを形成し、前記変形可能な壁面を変形することにより、前記単位フィルタの周波数特性を調整すると共に、該単位フィルタを、前記第２および第３の結合窓の少なくとも一方を介して複数個接続することを特徴とする。なお、単位フィルタの接続は、それぞれの単位フィルタの周波数特性を調整した後に接続してもよいし、後述する図１の例に示されるように、予め結合度の弱い接続導波管を介して接続しておいて、個々の単位フィルタの共振周波数を調整してもよい。
【００１３】
この構成にすることにより、空胴共振器を多段に接続してフィルタを構成する場合でも、個々の単位フィルタでその周波数特性を調整して接続すればよいため、従来の空胴共振器が直接何段も接続され、１個の空胴共振器の共振周波数を調整すると隣接する空胴共振器の共振周波数にも影響し、フィルタの周波数特性の調整が非常に複雑であるという問題を解消し、簡単に多段の空胴共振器を有するフィルタを得ることができる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
つぎに、本発明のフィルタについて、その一実施形態の断面説明図（（ｂ）は（ａ）のＢ−Ｂ線断面）が示される図１を参照しながら説明をする。
【００１７】
本発明による空胴共振器を用いたフィルタは、図１に断面説明図が示されるように、共振周波数を調整し得るように変形可能な壁面１１ａ、１１ｂを有する２個の空胴共振器１０ａ、１０ｂが、第１の結合窓１３を介して接続されることにより第１の単位フィルタ１が形成され、その単位フィルタ１には導波管または他のフィルタと結合するための第２および第３の結合窓１４、１５が変形可能な壁面１１ａ、１１ｂとは異なる壁面の２ヵ所に形成されている。そして、第２の単位フィルタ２も同様に、共振周波数を調整し得るように変形可能な壁面２１ａ、２１ｂを有する２個の空胴共振器２０ａ、２０ｂが、第１の結合窓２３を介して接続されることにより形成され、複数個の単位フィルタ１、２が、第２および第３の結合窓１４、１５、２４、２５の少なくとも一方を介して複数個接続されている。
【００１８】
図１に示される例は、第１および第２の単位フィルタ１、２をそれぞれ２個の空胴共振器１０（１０ａ、１０ｂ）および２０（２０ａ、２０ｂ）で構成し、それぞれの空胴共振器１０、２０として円筒空胴を用いた例が示され、それぞれの円筒空胴は、通過帯域において、ＴＭ₀₁₀モードで共振する寸法に形成されている。そして、２個の円筒空胴１０ａ、１０ｂが、その軸方向と垂直な面で第１の結合窓１３を介して結合されると共に、第１の結合窓１３が形成された面と対向する壁面１１ａ、１１ｂがそれぞれ共振周波数を調整し得るように変形可能な壁面１１ａ、１１ｂとして形成されている。この変形可能な壁面１１ａ、１１ｂは、他の壁面より薄く形成されると共に、ボス１２ａ、１２ｂが取り付けられ、このボス１２ａ、１２ｂの部分を押し込んだり、引っ張り上げたりすることにより、変形し得るように形成されている。
【００１９】
すなわち、ＴＭ₀₁₀モードは、円筒空胴の軸方向に高周波電界が形成されるモードであり、高周波電界に垂直な方向となる壁面を変形させることにより、その壁面とその対向面との間に形成されている容量値が変化し、共振周波数が変化しやすいため、この軸方向と垂直な面が、共振周波数を調整し得るように変形可能な壁面１１ａ、１１ｂとされている。たとえば壁面１１ａ、１１ｂを押し込んで対向面との間隔を狭くすると、容量値は増加して共振周波数が低下し、逆に壁面１１ａ、１１ｂを引っ張り上げると、容量値が低下し共振周波数が高くなる。
【００２０】
この空胴共振器１０ａ、１０ｂは、たとえばアルミニウムなどの柔らかい材質で形成され、さらに変形可能な壁面１１ａ、１１ｂは、他の部分よりも薄く、たとえば１ｍｍ程度の厚さに形成されている。その結果、ボス１２ａ、１２ｂの部分を治具などを用いて、上下させることにより、簡単に共振周波数を微調整することができる。しかし、変形可能な壁面を、空胴共振器を形成する材質よりも柔らかい材質で形成してもよく、また、空胴共振器を形成する材質自身も、アルミニウムには限定されず、銅や黄銅など他の材料でもよい。
【００２１】
図１に示されるフィルタを設計するには、第１の結合窓１３で結合された２つの空胴共振器１０ａ、１０ｂを一対と考え、第１導波管（入力側導波管）７ａと接続導波管７ｂとの間でフィルタとしての所望の挿入損失などの特性が得られるように、その一対のみで空胴共振器１０ａ、１０ｂ、第１、第２および第３の結合窓１３、１４、１５を設計する。具体的には、図１に示される空胴共振器１０ａ、１０ｂがＴＭ₀₁₀モードで、通過周波数帯９.４ＧＨｚで共振するように直径がφ２４.１ｍｍ、高さが２０ｍｍの円筒空胴に形成され、この通過周波数帯域での挿入損失が最小となるように結合窓１３〜１５が決定されている。第１の結合窓１３は、金属板に矩形形状のスリットが２ヵ所設けられた構造で、第２および第３の結合窓１４、１５は、矩形導波管の一面の幅を狭めた窓として形成されている。なお、第１の単位フィルタ１についてのみ説明したが、第２の単位フィルタ２についても、同じ部分の符号の１０番台が２０番台に変っているだけで、全く同様に設計され、その説明を省略する。
【００２２】
この一対の空胴共振器１０ａ、１０ｂからなる単位フィルタ１の周波数特性は、図３に示されるように、９.４ＧＨｚでリターンロスは小さく、挿入損失も殆どないが、リターンロスや挿入損失の急峻性は欠け、９.３ＧＨｚや９.５ＧＨｚでも、遮断特性は充分ではない。
【００２３】
図１に示される例では、第１および第２の単位フィルタ１、２は、それぞれ同一の周波数特性が得られるように形成され、接続導波管７ｂを介して接続されている。すなわち、第１の単位フィルタ１の第２の結合窓１４側には、第１導波管（入力側導波管）７ａが接続され、第１の単位フィルタ１の第３の結合窓と第２の単位フィルタ２の第３の結合窓２５とが接続導波管７ｂを介して接続され、第２の単位フィルタ２の第２の結合窓２４には、第２導波管（出力側導波管）７ｃが接続されている。この接続導波管７ｂの長さは、約１／４波長（管内波長）の長さに形成されている。１／４波長の長さに形成されることにより、隣接する空胴間の結合が疎となるため、通過周波数帯域内のリップルが小さく、良好な周波数特性になると共に、単位フィルタの設計および調整を行いやすい。すなわち、この接続導波管７ｂの長さが０の状態では、理論的には最も結合が強く急峻な減衰特性を得られるが、隣接する空胴共振器間が影響し合うため、リップルの小さなフィルタの設計や調整をすることができなくなる。
【００２４】
なお、図１に示される例では、接続導波管７ｂが、第１の単位フィルタ１と第２の単位フィルタ２との間の隔壁６の一部に形成され、第１および第２の単位フィルタ１、２を分離することができない。しかし、この接続導波管７ｂの長さを約１／４波長の長さにすれば、単位フィルタ間の結合が疎となり、それぞれ別々に設計することができ、２空胴で所望の周波数特性が得られるように、各空胴の寸法や、結合窓１３〜１５の寸法を決めることができる。その結果、電磁界シミュレータによりシミュレーションを行い、正確に特性を合せて作り込むことができ、僅かな調整ですむため、第１および第２の単位フィルタ１、２がそれぞれ分離されていなくても、単位フィルタごとに共振周波数を調整することができる。しかし、後述する図２に示されるように、単位フィルタ間を分離して、導波管部を有するフランジの形に形成し、それぞれの単位フィルタをネジなどにより接続する構造にすることもできる。
【００２５】
図１に示されるように、２個の空胴共振器からなる第１および第２の単位フィルタ１、２を２個接続して、４個の空胴共振器からなるフィルタの周波数特性が図４に示されている。図４から明らかなように、２個の空胴共振器からなる単位フィルタのみの場合の周波数特性である図３の特性と比較して、２個の単位フィルタの周波数特性は、周波数特性の急峻性が得られ、９.３５ＧＨｚ以下、および９.４５ＧＨｚ以上の周波数帯を完全に遮断することができる。この２個の単位フィルタ、すなわち４個の空胴共振器からなるフィルタにより、従来の図５に示される３空胴からなるフィルタよりも、入力側導波管７ａと出力側導波管７ｃとの間の寸法を小さくしながら、良好な減衰特性が得られた。
【００２６】
本発明のフィルタによれば、２個の空胴共振器からなる単位フィルタを複数個接続することにより形成されているため、所望のフィルタ特性を単位フィルタで設計することができると共に、製造上のバラツキによる共振周波数の調整を、単位フィルタごとに周波数調整用の変形可能な壁面の変形で調整することができる。その結果、空胴共振器を多段に接続するフィルタでも、非常に簡単に設計することができ、また、非常に簡単に周波数特性を調整することができる。
【００２７】
また、図１に示される例のように、単位フィルタとして、円筒空胴を円筒の軸方向に第２の結合窓を介して接続した構造で形成することにより、単位フィルタの２個の空胴共振器は入出力導波管によるマイクロ波進行方向と直角方向に接続されることになるため、入出力導波管の間の間隔は、４空胴でも２空胴の長さで形成することができ、前述の９.４ＧＨｚの場合、６０ｍｍの間隔で４空胴の多段フィルタを構成することができる。
【００２８】
前述のように、本発明によるフィルタの製造方法は、共振周波数を調整し得るように変形可能な壁面１１ａ、１１ｂを有する空胴共振器１０ａ、１０ｂを、第１の結合窓１３を介して２個接続すると共に、導波管または他のフィルタと結合するための第２および第３の結合窓１４、１５を変形可能な壁面１１ａ、１１ｂと異なる壁面に２ヵ所形成することにより第１の単位フィルタ１を形成し、変形可能な壁面１１ａ、１１ｂを調整することにより、第１の単位フィルタ１の周波数特性を調整すると共に、第１および第２の単位フィルタ１、２を、第２および第３の結合窓１４、１５および２４、２５の少なくとも一方を介して複数個接続するものである。なお、各単位フィルタの調整と接続は、図１に示されるように、接続しておいてから調整しても前述のように調整することができ、後述する図２に示されるように、各単位フィルタを調整して製造しておいてから接続してもよい。
【００２９】
この構成にすることにより、前述のように、それぞれの単位フィルタの周波数特性を別個に調整すればよいため、空胴共振器を多段に接続してフィルタを構成する場合でも、非常に簡単に設計をし、また、調整をすることができる。
【００３０】
さらに、本発明による空胴共振器を用いたフィルタの周波数特性調整方法は、前述のように、複数個の空胴共振器の２個を単位とし、その２個の空胴共振器１０ａ、１０ｂそれぞれにおける一つの壁面１１ａ、１１ｂを、共振周波数を調整し得るように変形可能な壁面で形成し、２個の空胴共振器の変形可能な壁面１１ａ、１１ｂをそれぞれ変形させることによりフィルタの周波数特性を調整するものである。
【００３１】
すなわち、２個の空胴共振器を単位として、フィルタの設計および調整を行うため、ビスなどを空胴共振器内に挿入して、その挿入長により周波数特性を調整しなくても、空胴共振器の一壁面に、材質や壁面の厚さなどを変えたり、変形するためのボスなどを形成したりして、他の壁面よりも変形しやすく形成しておき、その壁面を押し込んだり、引っ張り出したりすることにより、非常に簡単に、微調整でも正確に、共振周波数の調整をすることができる。その結果、高特性の周波数特性が得られると共に、ビスなどを突出させていないため、レーダ装置用のフィルタなどの大電力用でも放電などを起すことなく使用することができる。
【００３２】
図２は、本発明によるフィルタの他の構成例を示す図１と同様の断面説明図である。この例は、単位フィルタ１〜４が４個接続されると共に、各単位フィルタがそれぞれ別々に形成され、それぞれがフランジ部１６（１６ａ、１６ｂ）〜４６（４６ａ、４６ｂ）で、ビス８とナット９により固定される構造になっている。この４個の単位フィルタは、それぞれ同じ周波数特性になるように形成されるが、第２または第３の結合窓の寸法を変えるなどして、第２および第３の単位フィルタ２、３と、第１および第４の単位フィルタ１、４とでＱ値を変えることにより、フィルタの遮断特性が改善されている。
【００３３】
各単位フィルタの境界部は、前述のように、隔壁により仕切られるのではなく、空胴共振器を構成する一壁面にフランジ部１６ａ、１６ｂを形成し、そのフランジ部１６ａ、１６ｂを有する壁面に接続導波管１７ａ、１７ｂが形成されている。この接続導波管１７ａ、１７ｂは、通過周波数帯域での管内波長の約１／８、すなわち９.４ＧＨｚの通過周波数で、５.５ｍｍに形成されている。そのため、４個の単位フィルタ（第１ないし第４の単位フィルタ１〜４）が、この接続導波管部１７〜４７で接続されることにより、結局２個の接続導波管で約１／４波長の長さとなり、前述と同様の理由で、通過周波数帯域内のリップルを小さくすることができる。
【００３４】
なお、第１の単位フィルタ１は、フランジ部１６ａ、１６ｂと接続導波管部１７ａ、１７ｂおよびビス８とナット９で接続する部分以外の構成は、前述の図１に示される単位フィルタと同じ構成で、第２〜第４の単位フィルタ２、３、４も第１の単位フィルタ１と同じで、同じ部分には符号の１０番台をそれぞれ２０番台、３０番台、４０番台として同じ符号を付して、その説明を省略する。
【００３５】
この構成にすることにより、それぞれの単位フィルタでフィルタの周波数特性を調整しておき、そのままビスとナットにより接続すればよいため、空胴共振器を多段に形成するフィルタでも、非常に簡単に製造することができる。
【００３６】
前述の例では、単位フィルタとして、円筒空胴をその軸方向と垂直な面で結合する２個の空胴共振器で構成したが、この構成にすることにより、２個の空胴共振器をマイクロ波の進行方向と垂直方向に接続することができ、非常にコンパクトに構成することができる。しかし、円筒空胴に限らず、たとえば方形空胴ＴＥ₁₀₁でも、前述の円筒空胴に変えて約１／２波長の長さの方形空胴で置き換え、第２および第３の結合窓を方形空胴の幅狭面に形成し、変形可能壁面を幅広面に形成することにより、前述と同様の入出力導波管間の短い距離で多段空胴のフィルタを得ることができる。方形空胴を用いる場合、入出力導波管間の寸法が長くはなるが、前述の図５に示される構造のように、２個の空胴共振器を接続した単位フィルタを、接続導波管を介して横方向に接続する構造にすることもできる。
【００３７】
また、前述の各例では、第２および第３の結合窓が、それぞれ別々の空胴共振器に設けられていたが、減衰特性を急峻にするという点からはその方が好ましい。しかし、フィルタとしては、必ずしも別々の空胴共振器に設けられないで、単位フィルタのいずれかの２ヵ所に設けられていればよい。
【００３８】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、設計および調整を行いやすい単位フィルタを形成し、その単位フィルタを接続することによりフィルタを構成しているため、空胴共振器を多段に接続する場合でも、非常に簡単に所望の周波数特性を得ることができる。その結果、共振周波数の調整機構も、空胴共振器の壁面の変形により行うことができ、レーダ装置のような高出力の場合にも用いることができ、パルスレーダ装置でのパルス波形のフーリエ変換に対応するスペクトラムの広がりによるノイズでも遮断することができる。
【００３９】
また、単位フィルタで設計、調整をすることができるため、非常に製造が容易になり、コストダウンを図れると共に、簡単に多段化を図ることができるため、非常にＱ値が高く、急峻な減衰特性を有するなど、高性能なフィルタを安価に得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明によるフィルタの一実施形態の構成を示す断面説明図である。
【図２】本発明によるフィルタの他の実施形態を示す断面説明図である。
【図３】図１に示される単位フィルタ１個のリターンロスおよび挿入損失の特性例を示す図である。
【図４】図１に示されるフィルタのリターンロスおよび挿入損失の特性例を示す図である。
【図５】従来の導波管型フィルタの一例を示す概念説明図である。
【符号の説明】
１第１の単位フィルタ
２第２の単位フィルタ
３第３の単位フィルタ
４第４の単位フィルタ
７ｂ接続導波管
１０空胴共振器
１１変形可能な壁面
１３第１の結合窓
１４第２の結合窓
１５第３の結合窓

Claims

共振周波数を調整し得るように変形可能な壁面を有する空胴共振器が、前記変形可能な壁面と対向する壁面に形成される第１の結合窓を介して２個接続されることにより単位フィルタが形成され、該単位フィルタには他の空胴共振器または導波管と結合するための第２および第３の結合窓が前記変形可能な壁面と異なる壁面の２ヵ所に形成され、前記単位フィルタが、前記第２および第３の結合窓の少なくとも一方を介して複数個接続されていることを特徴とする空胴共振器を用いたフィルタ。
共振周波数を調整し得るように変形可能な壁面を有する空胴共振器を、前記変形可能な壁面と対向する壁面に形成される第１の結合窓を介して２個接続すると共に、他の空胴共振器または導波管と結合するための第２および第３の結合窓を前記変形可能な壁面と異なる壁面に２ヵ所形成することにより単位フィルタを形成し、前記変形可能な壁面を変形することにより、前記単位フィルタの周波数特性を調整すると共に、該単位フィルタを、前記第２および第３の結合窓の少なくとも一方を介して複数個接続することを特徴とする空胴共振器を用いたフィルタの製造方法。