JP4220886B2 - 誘電体共振器及び誘電体フィルタ並びに無線通信機器 - Google Patents

Description

本発明は、ミリ波帯で利用される誘電体共振器及び誘電体フィルタ並びにこの誘電体フィルタを用いた無線通信機器に関するものである。

近年、ミリ波帯において無線ＬＡＮなどの通信システムが検討されており、それに用いる受動素子の研究も盛んに行われている。
ミリ波帯における受動素子の課題は、小型化、低コスト化である。低コスト化に対して問題となっているのは、小さな寸法に対する量産可能な加工精度である。通常、マイクロ波帯で大量生産している技術をミリ波へ応用しようとすると部品が小さくなりすぎるため、量産可能な加工精度では、寸法のばらつきが大きくなってしまう。このため、部品の単価が高いという結果となってしまっていた。

１９９５年、ミリ波帯に利用される誘電体共振器として、ＴＥ010モード誘電体共振器が提案された（特許文献１参照）。この誘電体共振器は、図１０に示されるように、金属導体２ａ，２ｂで囲まれた空間の中央部に誘電体基板１が配置されている。誘電体基板１の上部及び下部には、誘電体基板１に接するように導体板５ａ，５ｂが配置され、導体板５ａ，５ｂには、誘電体の一部が露出するように円形の開口部４ａ，４ｂが設けられている。

特許文献１では、この構造にした利点として、開口部の作製にフォトリソグラフィ技術を使うことが可能となり、その結果、寸法の加工精度の問題を解決している。この誘電体共振器はミリ波帯用のフィルタに利用されている。
特開平８-265015号公報

しかしながら、前記誘電体共振器を用いてフィルタを設計する場合、上下の開口部の軸ずれが起こると、共振周波数が設計値から外れる可能性がある。この共振周波数の変化がフィルタを作製するときの設計誤差となる。
前記誘電体共振器をミリ波帯へ用いるためには、開口部の直径を小さくする必要があるが、開口部が小さくなればなるほど、上下の開口部の軸ずれに対する共振周波数の設計値からのずれが大きくなると予想される。

本発明は、開口部の軸ずれがないような構造をとることで共振周波数の設計精度を大きく向上できる誘電体共振器及び誘電体フィルタ並びにこの誘電体フィルタを用いた無線通信機器を提供することを目的とする。
また、本発明は、製造工程を簡略化でき、低コスト化できる誘電体共振器及び誘電体フィルタ並びにこの誘電体フィルタを用いた無線通信機器を提供することを目的とする。

（１）本発明者は、共振空間の中心部ではなく、共振空間の周辺部に誘電体基板を配置し、その上から導体を被せ、導体に開口部を形成して、前記誘電体基板が一部露出するようにして誘電体共振器を構成した。
すなわち、本発明の誘電体共振器は、下部導体及び上部導体と、前記下部導体の上に接触して配置された誘電体基板と、誘電体基板の上に接触して配置された中間導体とを有し、前記中間導体から前記上部導体までが、支持部材を介して隔てられてその間に空間が形成され、前記中間導体に開口部を形成し、この開口部を介して前記誘電体基板を前記空間に露出させているものである。

この構成によれば、本発明の誘電体共振器は、従来のＴＥ010モード誘電体共振器に比べて、開口部の軸ずれを考慮しなくて良いように構造を簡略化できているため、従来より容易に誘電体共振器の製作の実現が可能となる。
前記開口部の形状は円形であってもよい。
使用する周波数において、電波を空間の中に閉じこめて共振させるためには、誘電体共振器の周囲は導体で遮蔽されるか、又は遮断領域となる構造に上下導体などが配置された構造であることが必要である。前者の例として、前記支持部材が筒状導体、例えば円筒状導体であり、前記上部導体が筒状導体の底面を形成するとともに、その筒状導体の開口端を、前記開口部を含む中間導体に接触させている構造が示される。後者の例として、上下導体間を電磁波が横方向に伝搬する場合に、伝搬モードが遮断領域となるような構造の導波管を実現するように、上下導体間隔などの寸法、誘電体基板の厚みや比誘電率、空間を満たす誘電体の比誘電率などが選ばれている。

（２）また、 本発明者は、該誘電体共振器を複数個用意し、共振部へ高周波信号を入力する入力電極と、高周波信号を出力する出力電極とを形成して、誘電体フィルタを実現した。
すなわち、本発明の誘電体フィルタは、下部導体及び上部導体と、前記下部導体の上に接触して配置された誘電体基板と、誘電体基板の上に接触して配置された中間導体とを有し、前記中間導体から前記上部導体までが、支持部材を介して隔てられてその間に空間が形成され、前記中間導体に複数の開口部を形成し、これらの開口部を介して前記誘電体基板を前記空間に露出させ、高周波信号を入力する入力電極と高周波信号を出力する出力電極とを持つことを特徴とする。

この構成によれば、誘電体共振器が横方向に並列に形成されるので、従来の約半分の高さで誘電体フィルタの実現が可能となる。
また、本発明の誘電体フィルタは、下部導体及び上部導体と、前記下部導体の上に接触して配置された第１の誘電体基板と、該第１の誘電体基板の上に接触して配置された第１の中間導体と、前記上部導体の下に接触して配置された第２の誘電体基板と、該第２の誘電体基板の下に接触して配置された第２の中間導体とを有し、前記第１ の中間導体から前記第２ の中間導体までが、支持部材を介して隔てられてその間に空間が形成され、前記第１ および第２ の中間導体にそれぞれ開口部を形成し、これらの開口部を介して前記第１ および第２ の誘電体基板を前記空間に露出させ、高周波信号を入力する入力電極と高周波信号を出力する出力電極とを持つことを特徴とする。

この誘電体フィルタは、誘電体共振器が縦に並べられた構造であり、誘電体フィルタの横幅を小さくすることができる。
前記開口部の形状は円形であってもよい。
誘電体共振器の周囲は導体で遮蔽されるか、又は遮断領域となる高さに導体が配置された構造である。例えば、前記支持部材が筒状導体であり、その筒状導体の両側の開口端を、前記開口部を含む第１および第２の中間導体に接触させる構造があげられる。

前記筒状導体は、例えば円筒状導体であってもよい。前記入力電極又は出力電極の少なくとも一方又は両方は、マイクロストリップ線路を使用することができる。前記誘電体フィルタを無線通信機器に搭載することにより、低コスト、小型で性能の優れたミリ波レーダ、無線ＬＡＮ、ホットスポット、アドホック無線システムなどの無線通信機器を提供することができる。

以上のように本発明によれば、誘電体基板の両面に導体を配置し、その片側の導体のみに前記誘電体基板が露出するように開口部を形成し、開口部から所定の間隔を置いて対向導体を支持した小型構造の誘電体共振器を提供でき、この誘電体共振器を用いることで、特にミリ波帯において、低コスト、小型化、高性能化が期待できる誘電体フィルタ及び無線通信機器を実現することができる。

以下、本発明の実施の形態を、添付図面を参照しながら詳細に説明する。
図１は、本発明の誘電体共振器の一例を示す縦断面図である。この図１において、誘電体共振器は、グランドとなる下部導体５ｂの上に、誘電体基板１を配置し、該誘電体基板１の上に、開口部４が形成された導体５ａを設置し、導体５ａの上部に間隔Ｍを隔てて、導体２ａを配置した構造となっている。下部導体５ｂ、導体５ａ、導体２ａはともに円板形状を有し互いに平行に配列されている。

前記誘電体基板１には、例えば、ガラスエポキシ樹脂などの有機系誘電体基板、又は、セラミック材料などの無機系誘電体基板が用いられる。
特に、セラミック材料を用いれば、セラミック誘電体の比誘電率は通常５から２５と、樹脂基板に比べて高いので、誘電体層を薄くでき、素子の小型化に有効である。また、セラミック材料を用いると、一般に、樹脂基板に比べて誘電損失が低いため、フィルタの高Ｑ化に対して有効である。

前記導体材料は、金、銀、銅などである。
前記導体５ａには、導体２ａを支持する円筒状部材３が結合されている。円筒状部材３も導体からなる。開口部４の直径をＤｓとし、導体５ａ、導体２ａで構成される空洞の直径をＤとしている。誘電体基板１の厚みをｔ、開口部４の厚みをｇとする。誘電体基板１の厚みｔ及びその比誘電率εは、共振周波数の高周波信号を減衰させるような値に選ばれる。詳しくいえば、誘電体基板１は、導体５ｂと導体５ａで挟み込まれた平行平板の構造となっている。平行平板の端から電波が飛び出さないためには、平行平板の遮断周波数ｆｃを超えない周波数領域で設計を行う必要がある。従来のマイクロ波帯では、あまり考慮する必要がなかったが、ミリ波帯では波長が短いので、誘電体基板１の厚みtが厚く、比誘電率εが高い試料では、遮断周波数ｆｃを超える場合も生じる。平行平板の遮断周波数ｆｃは、次式で表される。

ｆｃ＝１／２ｔ√（με）
したがって、誘電体基板１の厚みt、比誘電率εは、使用する周波数がカットオフ周波数ｆｃを超えないように選ぶ。
本発明の誘電体共振器が、ミリ波帯において有効である理由を説明する。
この誘電体共振器は、ＴＥ010モードを利用しており、電界は、誘電体共振器の下部導体５ｂの表面でゼロになり、それから上方向に増大する。このため、下部導体５ｂに接して配置された誘電体基板１に蓄積されるＴＥ010モードの電界エネルギーは、図１０に示した従来のＴＥ010モード誘電体共振器の誘電体基板１に蓄積される電界エネルギーに比べて小さくなる。

図２に本発明の誘電体共振器と、従来のＴＥ010モード誘電体共振器の共振周波数の計算結果を示す。グラフの横軸は、開口部４の直径Ｄｓを表し、縦軸は共振周波数を表している。計算条件は、空間は空気で満たされているとし、空間の直径Ｄ＝6.98mm，空間の高さＭ＝1.95mm，開口部の厚みｇ＝0.15mm， 誘電体基板１の厚みｔ＝0.5mm，誘電体の比誘電率１０とした。ｆａは本発明の誘電体共振器の共振周波数、ｆｂは従来の誘電体共振器の共振周波数を表す。この結果、本発明の誘電体共振器の方が、同じ条件では共振周波数が高いことが分かる。また、共振周波数ｆａの曲線のほうが、共振周波数ｆｂの曲線よりも傾斜がゆるいことがわかる。

このため、同じ条件（比誘電率、誘電体厚み、上部導体の高さＭ、開口部直径Ｄｓ等）で設計した場合、本発明の誘電体共振器は、従来のＴＥ010モード誘電体共振器に比べて周波数を高く設計でき、ミリ波帯の誘電体共振器として適している。周波数が同じであれば、従来の誘電体共振器に比べて開口部のサイズＤｓを大きくできる利点がある。また、共振周波数ｆａの曲線ほうが、共振周波数ｆｂの曲線よりも傾斜がゆるいことから、製造時の加工誤差に対する要求が緩和される。

図３（ａ）は、本発明の誘電体フィルタ構造の一例を示す縦断面図である。また、図３（ｂ）に本発明の誘電体フィルタの斜視図を示す。
これらの図３（ａ），図３（ｂ）において、誘電体フィルタは、グランドとなる下部導体５ｂの上に、誘電体基板１を配置し、該誘電体基板１の上に、開口部４ａ，開口部４ｂが形成された導体５ａを設置し、導体５ａの上部に間隔Ｍを隔てて、導体２ａを配置した構造となっている。下部導体５ｂ、導体５ａ、導体２ａはともに長方形の形状を有し互いに平行に配列されている。

導体５ａには、導体２ａを支持する支持部材３が設けられている。支持部材３は、導体でも誘電体でもよい。支持部材３が誘電体である場合、その高さＭは、使用する周波数において、上下導体間を電磁波が横方向に伝搬する場合に、伝搬モードが遮断領域となるような高さに選ばれている。
開口部４ａと開口部４ｂは、共振器同士で所望の結合係数が得られるような距離ｘを有して配置される。

この誘電体フィルタをミリ波帯へ応用する場合、誘電体共振器が同じ共振周波数を持つように揃える必要があるが、図２の結果より、開口部の設計値Ｄｓに対するばらつきが±１μｍの場合、従来のＴＥ010モード誘電体共振器では、共振周波数のばらつきは±１６ＭＨｚであるのに対し、本発明の誘電体共振器では、±４ＭＨｚであり、寸法の加工精度が同じであれば、共振周波数の精度が従来よりも改善されている。したがって、特性の揃った歩留まりの良い誘電体フィルタを製作することができる。

図４は、本発明の誘電体フィルタの他の構造例を示す縦断面図である。
この図４において、下部導体５ｂ上に誘電体基板１ａを配置し、該誘電体基板１ａに、開口部４ａが形成された導体５ａを設置している。また、上部導体５ｃ上に誘電体基板１ｂを配置し、該誘電体基板１ｂに、開口部４ｂが形成された導体５ｄを設置している。導体５ａ、５ｄは支持部材３により支持されている。支持部材３は、導体でも誘電体でもよい。誘電体であるときはそれ自体遮蔽効果がないので、支持部材３の高さＭを、使用する周波数において、上下導体間を電磁波が横方向に伝搬する場合に伝搬モードが遮断領域となるような高さに選ぶ必要がある。

二つの開口部４ａ，４ｂの少なくとも一部は、対向して配置される。
この図４の誘電体フィルタは、縦に並べられた誘電体共振器の結合を利用した構造であり、図３の構造に比べて、誘電体フィルタの横幅を小さくすることができる。また、二つの開口部４ａ，４ｂは、従来の図１０の構造のように厳密に重なっている必要はなく、多少の寸法のずれが許容される点でも、優れている。

図５は、本発明の誘電体フィルタの他の構造の一例を示す縦断面図である。この構造は、図３と図４の誘電体フィルタを組み合わせた構造となっており、下部導体５ｂ上に誘電体基板１ａを配置し、該誘電体基板１ａに、開口部４ａ，４ｂが形成された導体５ａを設置している。また、上部導体５ｃ上に誘電体基板１ｂを配置し、該誘電体基板１ｂに、開口部４ｃ，４ｄが形成された導体５ｄを設置している。導体４ａ、４ｂの周囲は、支持部材３により支持され、これにより共振空間を作っている。支持部材３は、導体でも誘電体でもよいが、誘電体であるときはそれ自体遮蔽効果がないので、支持部材３の高さＭを、使用する周波数において、上下導体間を電磁波が横方向に伝搬する場合に伝搬モードが遮断領域となるような高さに選ぶ必要がある。

図５の誘電体フィルタの開口部は、開口部４ａと４ｃの少なくとも一部が対向して配置され、開口部４ｄと４ｂの少なくとも一部が対向して配置されている。
高周波信号は、開口部４ａから開口部４ｃへ結合し、開口部４ｃから開口部４ｄへ結合し、開口部４ｄから開口部４ｂへと結合する。これにより誘電体共振器が四段のフィルタ接続となっている。

また、図５の誘電体フィルタによれば、開口部４ｃから４ｂに飛び越し結合を持たせることで、帯域外に極を持たせ、より急峻な伝送特性を持つフィルタを設計することも可能である。
以上で、本発明の実施の形態を説明したが、本発明の実施は、前記の形態に限定されるものではなく、本発明の範囲内で種々の変更を施すことが可能である。
例えば、入力電極または出力電極の少なくとも一方または両方は、コープレナ線路、ストリップ線路、または非放射性の線路を使用することができる。

図６（ａ），（ｂ）に示す構造の誘電体フィルタを想定して、２段最平坦特性バンドパスフィルタの設計を行った。計算には、アンソフト社製有限要素法シミュレーションソフトＨＦＳＳを用いた。
信号の入出力は、幅ｗ, 厚さｈの、特性インピーダンス５０Ωに設計された、上下空気層となっているマイクロストリップ線路により行った。

開口部４ａ，４ｂの直径Ｄｓ＝4.54mm，共振空間の高さＭ＝1.95mm，開口部の厚みｇ＝0.15mm， 誘電体基板１の厚みｔ＝0.5mm，誘電体の比誘電率１０、マイクロストリップ線路の幅ｗ＝０．0.62mm, 厚さｈ＝0.1mm、電極及び導体の導電率を５．８×１０⁶S/mとした。
単一誘電体共振器の導体損によるＱｃは２６００となった。

中心周波数６０．４ＧＨｚ、帯域幅２００ＭＨｚの条件を満たす設計値は、誘電体共振器間結合係数ｋ12＝０．００１６６、外部Ｑ，Ｑｅは４２０となる。
まず初めに結合係数ｋ12の計算をＨＦＳＳにより行った。誘電体共振器の間隔ｘに対する結合係数ｋ12の変化を図７に示す。これより、ｘ＝1.52mmのとき、必要なＫ12＝０．００１５を得た。

次に、外部Ｑｅの計算をＨＦＳＳにより行った。誘電体共振器の円周部からマイクロストリップ線路の端までの距離ｙに対するＱｅの変化を図８に示す。図８より、ｙ＝0.11mmのとき、必要なＱｅ＝４２０を得た。
最後に、得られた寸法ｘ，ｙを図６の構造に適応して、ＨＦＳＳを用いてフィルタの反射パラメータＳ11、伝送パラメータＳ12の計算を行った。この結果を図９に示す。

図９によれば、中心周波数６０．３ＧＨｚ、帯域幅２００ＭＨｚの帯域通過フィルタが実現されている。また、伝搬域の両側には、減衰極が形成されている。

本発明の誘電体共振器の一例を示す縦断面図である。 本発明の誘電体共振器と、従来のＴＥ010モード誘電体共振器の、開口部の直径に対する共振周波数の計算結果を示すグラフである。 （ａ）は、本発明の誘電体フィルタ構造の一例を示す縦断面図である。（ｂ）は本発明の誘電体フィルタの斜視図である。 本発明の誘電体フィルタの他の構造例を示す縦断面図である。 本発明の誘電体フィルタのさらに他の構造例を示す縦断面図である。 シミュレーションに用いた本発明の誘電体バンドパスフィルタの構造図である。 誘電体共振器の間隔ｘに対する結合係数ｋ12の変化を示すグラフである。 誘電体共振器の円周部からマイクロストリップ線路の端までの距離ｙに対するＱｅの変化を示すグラフである。 図６に示す誘電体バンドパスフィルタの伝送特性のシミュレーションの結果を示したグラフである。 従来の誘電体共振器の構造図の一例を示す説明図である。

符号の説明

１・・・誘電体基板
２ａ、２ｂ・・・導体板
３・・・支持部材
４、４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄ・・・開口部
５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄ・・・導体
６ａ、６ｂ・・・マイクロストリップ線路

Claims (14)

1. 下部導体及び上部導体と、前記下部導体の上に接触して配置された誘電体基板と、該誘電体基板の上に接触して配置された中間導体とを有し、
   前記中間導体から前記上部導体までが、支持部材を介して隔てられてその間に空間が形成され、
   前記中間導体に開口部を形成し、この開口部を介して前記誘電体基板を前記空間に露出させていることを特徴とする誘電体共振器。
2. 前記開口部が円形である請求項１記載の誘電体共振器。
3. 前記支持部材が筒状導体であり、前記上部導体が筒状導体の底面を形成するとともに、その筒状導体の開口端を、前記開口部を含む前記中間導体に接触させている請求項１又は請求項２記載の誘電体共振器。
4. 前記筒状導体が円筒状導体である請求項３記載の誘電体共振器。
5. 前記誘電体基板の厚み及び比誘電率は、使用する周波数が、前記誘電体基板が前記下部導体および前記中間導体によって挟み込まれた平行平板の遮断周波数を超えないように、設定されていることを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれかに記載の誘電体共振器。
6. 前記支持部材を介して形成される空間が誘電体で充填されている請求項１〜請求項５のいずれかに記載の誘電体共振器。
7. 前記空間を充填している誘電体が空気である請求６記載の誘電体共振器。
8. 下部導体及び上部導体と、前記下部導体の上に接触して配置された誘電体基板と、該誘電体基板の上に接触して配置された中間導体とを有し、
   前記中間導体から前記上部導体までが、支持部材を介して隔てられてその間に空間が形成され、
   前記中間導体に複数の開口部を形成し、これらの開口部を介して前記誘電体基板を前記空間に露出させ、
   高周波信号を入力する入力電極と高周波信号を出力する出力電極とを持つことを特徴とする誘電体フィルタ。
9. 下部導体及び上部導体と、前記下部導体の上に接触して配置された第１の誘電体基板と、該第１の誘電体基板の上に接触して配置された第１の中間導体と、前記上部導体の下に接触して配置された第２の誘電体基板と、該第２の誘電体基板の下に接触して配置された第２の中間導体とを有し、
   前記第１の中間導体から前記第２の中間導体までが、支持部材を介して隔てられてその間に空間が形成され、
   前記第１および第２の中間導体にそれぞれ開口部を形成し、これらの開口部を介して前記第１および第２の誘電体基板を前記空間に露出させ、
   高周波信号を入力する入力電極と高周波信号を出力する出力電極とを持つことを特徴とする誘電体フィルタ。
10. 前記開口部が円形である請求項８又は請求項９記載の誘電体フィルタ。
11. 前記支持部材が筒状導体であり、その筒状導体の両側の開口端を、前記開口部を含む第１および第２の中間導体に接触させている請求項８又は請求項９記載の誘電体フィルタ。
12. 前記筒状導体が円筒状導体である請求項１１記載の誘電体フィルタ。
13. 前記入力電極又は出力電極の少なくとも一方又は両方は、マイクロストリップ線路で形成されている請求項８〜請求項１２のいずれかに記載の誘電体フィルタ。
14. 前記請求項８〜請求項１３のいずれかに記載の誘電体フィルタを搭載した無線通信機器。

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