JP4275512B2 - 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。
現在、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、部品の単価が高くなるという結果となってしまっていた。

従来、マイクロ波及びミリ波帯において用いられている共振器として、ＴＥ010モード誘電体装荷空洞共振器がある（特許文献１参照）。この共振器は、図６に示されるように、金属導体２ｂ，３ａ，３ｂで囲まれた空洞共振器の中央部に誘電体基板１が配置された構造になっている。この構造では、電界が誘電体に集中するため、マイクロ波帯では非常に都合が良く、共振器の小型化のために盛んに用いられてきた。

また、この誘電体共振器はミリ波帯用の誘電体フィルタにも利用されている。この共振器を複数個結合させた誘電体フィルタが構成されている。この構造の一例を図７に示す。図７では、空洞共振器が２段縦に配列され、それぞれ電界の強い部分に誘電体基板１ａ，１ｂが配置されている。
特開平８-265015号公報

しかしながら、前記誘電体装荷空洞共振器やそれを用いた誘電体フィルタを設計する場合、ミリ波帯に用いようとするとサイズが小さくなりすぎ、作製上の精度の限界が問題となっている。
そこで誘電体への電界の集中を抑えるために、誘電体を薄くすると、寸法精度が問題になり、誘電体の強度も弱くなる。

そこで、本発明は、上記の構造のように誘電体を電界の強い場所へ配置するのではなく、弱い場所へ配置することにより、共振周波数の上昇が実現でき、その結果、共振周波数の設計精度を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、上記課題に対して検討を重ねた結果、導体板上に誘電体板を配置し、誘電体板上に有底筒状導体を、その開口部が前記誘電体板に接触するように載置した。そしてこの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取り出す出力電極を持つ誘電体フィルタを発明した。
すなわち本発明の誘電体共振器は、下部導体と、該下部導体に接触して配置された誘電体基板と、筒状導体及び上部導体からなる有底筒状導体とを有し、前記有底筒状導体の、前記上部導体と反対側にある開口端が前記誘電体基板に接触するように設置されて、前記下部導体と前記有底筒状導体とによって囲まれた共振用の空洞が形成されていることを特徴とする。

本発明の誘電体共振器では、空洞内の電界が、下部電極面でゼロになるところを利用している。このため、誘電体基板に蓄積される電界エネルギーを、従来の共振器に比べて小さくすることができる。同じ条件（誘電体の比誘電率、誘電体厚み、空洞の高さ、開口部直径等）で設計した場合、従来の共振器に比べてサイズを非常に小さくしなくても、共振周波数を高く設計でき、ミリ波帯の共振器として適している。つまり、従来のミリ波帯の共振器に比べて開口部のサイズを大きくできる利点がある。したがって、従来より容易に誘電体共振器の製作が可能となる。

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た構造であることが必要である。
この例として、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、前記誘電体基板に接触させている構造が示される。

さらに、前記誘電体基板を挟んで、前記下部導体と前記支持部材の端面との間に形成される導波路から電波が漏れ出さないために、前記誘電体基板は、共振周波数の高周波信号の伝搬を減衰させるような厚み及び比誘電率を持っていることが必要である。

（２）また、本発明者は、誘電体共振器を１個又は複数個用意し、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、前記下部導体に接触して配置された誘電体基板とを有し、前記誘電体基板と前記上部導体とが、支持部材を介して対向し、その間に共振空間が形成され、前記共振空間に高周波信号を入力する入力電極と、前記共振空間から高周波信号を取り出す出力電極とを備え、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、コプレーナ線路、ストリップ線路、同軸線路、又は非放射性の線路で形成されていることを特徴とする。

前記共振空間が複数個形成され、いずれかの共振空間に高周波信号を入力する同軸線路で形成された入力電極と、他の共振空間から高周波信号を出力する同軸線路で形成された出力電極とを備えるものであってもよい。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。

前記誘電体基板を挟んで、前記下部導体と前記支持部材の端面との間に形成される導波路において、前記誘電体基板は、電波の漏出を防止するために、共振周波数の高周波信号の伝搬を減衰させるような厚み及び比誘電率を持っていることが好ましい。
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、前記下部導体に接触して配置された第１の誘電体基板と、前記上部導体に接触して配置された第２の誘電体基板とを有し、前記第１の誘電体基板と前記第２の誘電体基板とが、支持部材を介して対向し、その間に共振空間が形成され、前記共振空間に高周波信号を入力する入力電極と、前記共振空間から高周波信号を取り出す出力電極とを備え、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、コプレーナ線路、ストリップ線路、同軸線路、又は非放射性の線路で形成されていることを特徴とする。

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。
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ことが必要である。この例として、前記支持部材が筒状導体、例えば円筒状導体であり、その筒状導体の両開口端を、前記２枚の誘電体基板に接触させている構造が示される。

さらに、前記誘電体基板を挟んで、前記上部導体又は下部導体と前記支持部材の端面との間に形成される導波路から電波が漏れ出さないために、前記誘電体基板は、共振周波数の高周波信号の伝搬を減衰させるような厚み及び比誘電率を持っていることが必要である。

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。

本発明によれば、導体板上に誘電体板を配置し、該誘電体板上に、開口部が前記誘電体板側となるように、有底筒状導体を載置した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３の上に、誘電体基板１を配置し、誘電体基板１の上に、開口部４を有した有底筒状導体２を、その開口端が誘電体基板１と接触するように設置している。有底筒状導体２は、底板２ａと円筒側板（支持部材に該当する）２ｂとからなる。したがって、下部導体３と有底筒状導体２とにより、金属で囲まれた共振用の空洞を形成する。

下部導体３、有底筒状導体２の底板２ａはともに平面図示して円板形状を有し、互いに平行に配列されている。有底筒状導体２で構成される空洞の直径をＤ、高さをＨ、誘電体基板１の厚みをｔとする。
また、有底筒状導体２の円筒側板２ｂには、同軸線５が空洞内に挿入されている。これにより誘電体共振器の励振および検波を、同軸線５の先端に取り付けられたループアンテナ６を介して行うことができる。

なお、信号の出し入れ電極を、同軸線に限らず、コプレーナ線路、ストリップ線路、マイクロストリップ線路、又は非放射性の線路で形成してもよい。
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３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３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６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。

このため、同じ条件（誘電体厚み、比誘電率、空洞の高さＨ、開口部直径Ｄ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空洞の高さＨを高くし、開口部のサイズＤを大きくできる利点がある。

この結果、誘電体共振器製造時の加工誤差に対する要求が緩和され、誘電体共振器の製造が容易になる。
前記有底筒状導体２の円筒側板２ｂは、底板２ａと一体に形成されていてもよく、別々に形成されてもよい。円筒側板２ｂは、別々に形成する場合、導体でも誘電体でもよい。円筒側板２ｂが誘電体である場合、その高さ（Ｈ−ｔ）は、使用する周波数において、上下導体２ａ，３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ことが好ましい。これは、空洞内の電波が上下導体２ａ，３間から漏れ出すのを防ぐためである。

ここで、誘電体基板１の厚みｔ及びその比誘電率εについて説明する。誘電体基板１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、下部導体３と有底筒状導体２の開口端２ｃと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（μは透磁率）。
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必要がある。

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、誘電体フィルタの高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。
図２（ａ）は、本発明の誘電体フィルタの基本構造の一例を示す縦断面図である。また、図２（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２（ａ）（ｂ）において、下部導体３上に誘電体基板１を配置し、誘電体基板１上に、直方体の形状を有し、２つの開口部４ａ，４ｂを持った有底導体２を設置した構造となっている。２つの開口部４ａ，４ｂは、誘電体基板１を介して所望の結合係数が得られるような距離ｘを有して配置されている。なお、この誘電体フィルタへの信号入力および誘電体フィルタからの信号出力は、図１と同様、有底導体２の側面から行うことができる。

この誘電体フィルタをミリ波帯へ応用する場合、２つの誘電体共振器が所定の関係の共振周波数を持つようにする必要がある。なお前記「所定の関係」は誘電体フィルタの使用目的によって異なる。共振周波数が同一の場合もあり、共振周波数がずれている場合もある。
この誘電体フィルタは、図１を用いて説明したように、開口部の設計値Ｄに対する寸法許容度が緩やかなので、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。

この誘電体フィルタにおいても、支持部材、すなわち有底導体２の側面２ｂは、底板２ａと一体に形成されていてもよいが、別々に形成されてもよい。別々に形成する場合、円筒側板２ｂは、導体でも誘電体でもよく、誘電体とする場合は、前述したように、その高さ（Ｈ−ｔ）を、使用する周波数において上下導体２ａ，３間を電磁波が横方向に漏洩しないような高さに選ぶことが好ましい。また、誘電体基板１の厚みｔ及びその比誘電率εについても、前述したように、誘電体基板１の端から電波が漏洩しないように選ぶ必要がある。

図３は、本発明の誘電体フィルタのさらに他の構造の一例を示す縦断面図である。この図３において、下部導体板３ａ上に誘電体基板１ａを配置し、誘電体基板上１ａに円筒導体２ｂを、その開口端が誘電体基板上１ａに接するように設置している。また、上部導体板３ｂに第２の誘電体基板１ｂを配置し、この第２の誘電体基板１ｂを前記円筒導体２ｂの他の開口端に接触させている。このように、第１の誘電体基板１ａと第２の誘電体基板１ｂが対向して配置された構造となっている。第１の誘電体基板１ａと第２の誘電体基板１ｂは、所望の結合係数が得られるような距離ｙを有して対向して配置される。

円筒導体２ｂ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、円筒導体２ｂの高さｙを、使用する周波数において、上下導体３ａ，３ｂ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。
この図３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２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、誘電体基板１ａ，１ｂの厚みｔ及びその比誘電率εについても、前述したように、誘電体基板１の端から電波が漏洩しないように選ぶ必要がある。

図４は、本発明の誘電体フィルタのさらに他の構造の一例を示す縦断面図である。この構造は、図２と図３の誘電体フィルタを組み合わせた構造となっている。
この図４において、導体板３ａ上に誘電体基板１ａを配置し、その上に２つの貫通した斜め円筒空洞を有する直方体状の導体７を設置している。導体７の上端に第２の誘電体基板１ｂを配置し、さらにその上に導体板３ｂを配置している。

この構造においても、直方体状の導体７は金属でも誘電体でもよく、誘電体であるときはそれ自体遮蔽効果がないので、空洞の高さｙを、使用する周波数において、上下導体３ａ，３ｂ間を電磁波が横方向に伝搬して漏れ出さないような寸法に選ぶ必要がある。また、誘電体基板１ａ，１ｂの厚みｔ及びその比誘電率εについても、前述したように、誘電体基板１ａ，１ｂの端から電波が漏洩しないように選ぶ必要がある。

図４の誘電体フィルタにおいて、高周波信号は、導体７の左側に挿入された同軸線５の先端ループアンテナ６から、開口部４ａへ結合し、誘電体基板１ｂを介して開口部４ｂへと結合し、導体７の右側に挿入された同軸線５の先端ループアンテナ６から取り出される。これにより誘電体共振器が四段の接続された誘電体フィルタを実現することができる。
以上のように、本発明の共振器及び誘電体フィルタは、特にミリ波帯において最も効果があり、低コストが期待できる。

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。

図１に示した構造の単一共振器の設計および測定を行った。空洞の直径Ｄ＝11.86ｍｍ、高さＨ＝6.56ｍｍ、誘電体の厚みｔ＝0.63ｍｍ、比誘電率ε＝9.4とした。計算値は共振周波数ｆ0＝35.53ＧＨｚとなる。
実際に共振器を試作し、ネットワークアナライザを用いて測定を行った。空洞の寸法の測定結果は、Ｄ＝11.864ｍｍ、Ｈ＝6.565ｍｍであり、誘電体にはサファイアを用い、その厚みｔの測定結果は、0.626ｍｍである。

この共振器の挿入損失の周波数応答を図５に示す。このとき、測定値は、ｆ0＝35.57ＧＨｚとなった。計算値とずれの主な原因は、誘電体の比誘電率である。誘電体の比誘電率を正確に知ることができれば、ｆ0のずれはもっと小さくなると予想される。
この結果、この共振器を用いて、ミリ波帯における誘電体フィルタが十分に実現可能になることがわかった。

本発明の誘電体共振器の基本構造を示す縦断面図である。 （ａ）は本発明の誘電体フィルタの構造例を示す縦断面図である。（ｂ）は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さらに他の構造の一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の一例を示す縦断面図である。 本発明の誘電体共振器の実施例にかかる、挿入損失の周波数応答の実測グラフである。 従来のＴＥモード誘電体装荷空洞共振器の構造図の一例を示す断面図である。 従来のＴＥモード誘電体フィルタの構造図の一例を示す断面図である。

符号の説明

１、１ａ、１ｂ 誘電体基板
２ 有底筒状導体
２ｂ 支持部材
３、３ａ、３ｂ 導体板
４ 円筒空洞
５ 同軸線
６ ループアンテナ

Claims (11)

1. 下部導体と、該下部導体に接触して配置された誘電体基板と、筒状導体及び上部導体からなる有底筒状導体とを有し、
   前記有底筒状導体の、前記上部導体と反対側にある開口端が前記誘電体基板に接触するように設置されて、前記下部導体と前記有底筒状導体とによって囲まれた共振用の空洞が形成されていることを特徴とする誘電体共振器。
2. 前記筒状導体が円筒状導体である請求項１記載の誘電体共振器。
3. 前記誘電体基板を挟んで、前記下部導体と前記有底筒状導体との間に形成される導波路において、前記誘電体基板は、共振周波数の高周波信号の伝搬を減衰させるような厚み及び比誘電率を持っている請求項１又は請求項２に記載の誘電体共振器。
4. 下部導体及び上部導体と、前記下部導体に接触して配置された誘電体基板とを有し、
   前記誘電体基板と前記上部導体とが、支持部材を介して対向し、その間に共振空間が形成され、
   前記共振空間に高周波信号を入力する入力電極と、前記共振空間から高周波信号を取り出す出力電極とを備え、
   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、コプレーナ線路、ストリップ線路、同軸線路、又は非放射性の線路で形成されていることを特徴とする誘電体フィルタ。
5. 前記共振空間が複数個形成されており、前記入力電極はいずれかの前記共振空間に高周波信号を入力し、前記出力電極は他の前記共振空間から高周波信号を取り出すとともに、前記入力電極及び前記出力電極は同軸線路で形成されている請求項４記載の誘電体フィルタ。
6. 前記誘電体基板を挟んで、前記下部導体と前記支持部材の端面との間に形成される導波路において、前記誘電体基板は、共振周波数の高周波信号の伝搬を減衰させるような厚み及び比誘電率を持っている請求項４又は請求項５に記載の誘電体フィルタ。
7. 下部導体及び上部導体と、前記下部導体に接触して配置された第１の誘電体基板と、前記上部導体に接触して配置された第２の誘電体基板とを有し、
   前記第１の誘電体基板と前記第２の誘電体基板とが、支持部材を介して対向し、その間に共振空間が形成され、
   前記共振空間に高周波信号を入力する入力電極と、前記共振空間から高周波信号を取り出す出力電極とを備え、
   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、コプレーナ線路、ストリップ線路、同軸線路、又は非放射性の線路で形成されていることを特徴とする誘電体フィルタ。
8. 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、前記第１および第２の誘電体基板に接触させている請求項７記載の誘電体フィルタ。
9. 前記筒状導体が円筒状導体である請求項８記載の誘電体フィルタ。
10. 前記第１の誘電体基板を挟んで、前記下部導体と前記支持部材の端面との間にそれぞれ形成される導波路、及び前記第２の誘電体基板を挟んで、前記上部導体と前記支持部材の端面との間に形成される導波路において、前記第１及び第２の誘電体基板は、共振周波数の高周波信号の伝搬を減衰させるような厚み及び比誘電率を持っている請求項７〜請求項９のいずれかに記載の誘電体フィルタ。
11. 前記請求項４〜請求項１０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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